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JP7701087B2 - Silicon carbide MOSFET device and method for fabricating same - Google Patents
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JP7701087B2 - Silicon carbide MOSFET device and method for fabricating same - Google Patents

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Description

相互参照cross reference

本出願は、2022年1月4日に中国国家知識産権局に出願された、出願番号202210004474.8、発明の名称「炭化ケイ素MOSFETデバイス及びその製造方法」である中国特許出願の優先権を主張し、その全内容は参照により本出願に組み込まれる。 This application claims priority to a Chinese patent application, application number 202210004474.8, entitled "Silicon carbide MOSFET device and manufacturing method thereof," filed with the State Intellectual Property Office of the People's Republic of China on January 4, 2022, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

本出願は、2022年1月4日に中国国家知識産権局に出願された、出願番号202220017322.7、発明の名称「炭化ケイ素MOSFETデバイス」である中国特許出願の優先権を主張し、その全内容は参照により本出願に組み込まれる。 This application claims priority to a Chinese patent application entitled "Silicon Carbide MOSFET Device," application number 202220017322.7, filed with the State Intellectual Property Office of the People's Republic of China on January 4, 2022, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

本出願は、半導体デバイスの技術分野に関し、特に炭化ケイ素(SiC)MOSFETデバイス及びその製造方法に関する。 This application relates to the technical field of semiconductor devices, and in particular to silicon carbide (SiC) MOSFET devices and methods for manufacturing the same.

科学技術の継続的な発展に伴い、ますます多くの電子機器が人々の日常生活や仕事に広く使用され、人々の日常生活や仕事に大きな利便性をもたらし、今日の人々にとって不可欠かつ重要なツールとなっている。 With the continuous development of science and technology, more and more electronic devices are widely used in people's daily life and work, bringing great convenience to people's daily life and work, and becoming an indispensable and important tool for people today.

電子機器が様々な機能を実現する主要な構造は集積回路であり、MOSFETデバイスは集積回路の重要な構成電子部品である。炭化ケイ素MOSFETデバイスは、高電力用途における優れた特性により、半導体分野における主要な発展方向となっている。 The main structure that electronic devices use to realize various functions is the integrated circuit, and MOSFET devices are important components of integrated circuits. Silicon carbide MOSFET devices have become a major development direction in the semiconductor field due to their excellent properties in high power applications.

既存の炭化ケイ素MOSFETデバイスにはまだ欠点があり、その構造と製造方法をさらに最適化して性能を向上させる必要がある。 Existing silicon carbide MOSFET devices still have shortcomings, and their structures and manufacturing methods need to be further optimized to improve performance.

半導体基板、及び前記基板の表面に設けられたエピタキシャル層を含むエピタキシャルウェーハと、
前記エピタキシャル層内に設けられたウェル領域、ソース領域及びトレンチゲートと、を含む、炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、
An epitaxial wafer including a semiconductor substrate and an epitaxial layer provided on a surface of the substrate;
a well region, a source region, and a trench gate disposed within the epitaxial layer,

前記トレンチゲートは、前記エピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に位置するトレンチ、及び前記トレンチ内に位置するゲートを含み、前記ゲートと前記トレンチとの間にゲート誘導体層があり、
前記ソース領域は前記トレンチを取り囲み、前記トレンチの側壁に接し、
前記ウェル領域は、前記基板の前記ソース領域に向かう方向に順に設けられた第1層ウェル領域、第2層ウェル領域及び第3層ウェル領域を含み、前記トレンチの底部は前記第1層ウェル領域と前記第3層ウェル領域との間に位置し、前記第3層ウェル領域は前記トレンチを取り囲み、前記トレンチの側壁に接し、前記トレンチの下のエピタキシャル層内にドーピング領域があり、前記第1層ウェル領域は前記ドーピング領域を取り囲み、前記ドーピング領域に接し、前記第1層ウェル領域と前記第3層ウェル領域と間に部分エピタキシャル層があり、前記第2層ウェル領域は前記部分エピタキシャル層の両側に位置し、前記部分エピタキシャル層内に前記トレンチゲート底部を保護するためのマスキング層があり、前記マスキング層は前記トレンチの下に位置し、各層のウェル領域と同じドーピングタイプを有する炭化ケイ素MOSFETデバイス。
the trench gate includes a trench located in a surface of the epitaxial layer opposite the substrate, and a gate located in the trench, with a gate dielectric layer between the gate and the trench;
the source region surrounds the trench and contacts a sidewall of the trench;
a first layer well region, a second layer well region, and a third layer well region provided in that order in a direction toward the source region of the substrate, a bottom of the trench being located between the first layer well region and the third layer well region, the third layer well region surrounding the trench and contacting a sidewall of the trench, a doping region being in an epitaxial layer below the trench, the first layer well region surrounding the doping region and contacting the doping region, a partial epitaxial layer being between the first layer well region and the third layer well region, the second layer well region being located on both sides of the partial epitaxial layer, a masking layer being in the partial epitaxial layer to protect the trench gate bottom, the masking layer being located below the trench, and having the same doping type as the well region of each layer.

好ましくは、上記の炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、前記基板上の前記ドーピング領域の垂直投影は、前記基板上の前記トレンチの垂直投影内に位置し、
前記基板上の前記トレンチの垂直投影は、前記基板上の前記部分エピタキシャル層の垂直投影内に位置し、2つの前記垂直投影はゼロでない間隔を有する。
Preferably, in the silicon carbide MOSFET device described above, the vertical projection of the doped region on the substrate lies within the vertical projection of the trench on the substrate;
A vertical projection of the trench on the substrate lies within a vertical projection of the partial epitaxial layer on the substrate, the two vertical projections having a non-zero spacing.

好ましくは、上記の炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、前記部分エピタキシャル層内に前記マスキング層と前記第1層ウェル領域とを接続する接続領域もあり、前記接続領域は各層のウェル領域と同じドーピングタイプを有する。 Preferably, in the silicon carbide MOSFET device described above, there is also a connection region in the partial epitaxial layer connecting the masking layer and the first layer well region, the connection region having the same doping type as the well region of each layer.

好ましくは、上記の炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、前記第1層ウェル領域は、前記トレンチの両側にそれぞれ位置する第1部分の第1層ウェル領域及び第2部分の第1層ウェル領域を含み、
前記第1部分の第1層ウェル領域は、第1方向に順に配置された複数の前記接続領域を介して前記マスキング層と接続され、且つ/又は、前記第2部分の第1層ウェル領域は、第1方向に順に配置された複数の前記接続領域を介して前記マスキング層と接続され、
ここで、前記第1方向は前記基板に平行であり、前記トレンチの延在方向に平行である。
Preferably, in the above silicon carbide MOSFET device, the first-layer well region includes a first portion of a first-layer well region and a second portion of a first-layer well region located on both sides of the trench,
the first-layer well region of the first portion is connected to the masking layer via a plurality of the connection regions arranged in sequence in a first direction, and/or the first-layer well region of the second portion is connected to the masking layer via a plurality of the connection regions arranged in sequence in the first direction;
Here, the first direction is parallel to the substrate and parallel to the extension direction of the trench.

好ましくは、上記の炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、前記トレンチの下に少なくとも1つの前記ドーピング領域があり、
複数の前記ドーピング領域がある場合、複数の前記ドーピング領域は第1方向に順に配置され、ここで、前記第1方向は前記基板に平行であり、前記トレンチの延在方向に平行である。
Preferably, in the silicon carbide MOSFET device described above, there is at least one said doped region beneath said trench,
When there are a plurality of the doped regions, the plurality of doped regions are arranged in sequence in a first direction, where the first direction is parallel to the substrate and parallel to an extension direction of the trench.

好ましくは、上記の炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、前記基板に垂直な方向において、前記マスキング層から前記トレンチの底部までの距離は、前記第1層ウェル領域までの距離よりも小さい。 Preferably, in the silicon carbide MOSFET device described above, the distance from the masking layer to the bottom of the trench in a direction perpendicular to the substrate is less than the distance to the first layer well region.

好ましくは、上記の炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、前記マスキング層は前記トレンチの底部に接している。 Preferably, in the silicon carbide MOSFET device described above, the masking layer contacts the bottom of the trench.

好ましくは、上記の炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、前記第2層ウェル領域は、前記トレンチの両側にそれぞれ位置する第1部分の第2層ウェル領域及び第2部分の第2層ウェル領域を含み、
前記第1部分の第2層ウェル領域及び前記第2部分の第2層ウェル領域は、それぞれ一体化された構造である。
Preferably, in the above silicon carbide MOSFET device, the second-layer well region includes a first portion of the second-layer well region and a second portion of the second-layer well region located on both sides of the trench,
The second-level well region of the first portion and the second-level well region of the second portion each have an integrated structure.

好ましくは、上記の炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、前記第2層ウェル領域は、前記トレンチの両側にそれぞれ位置する第1部分の第2層ウェル領域及び第2部分の第2層ウェル領域を含み、
前記第1部分の第2層ウェル領域及び前記第2部分の第2層ウェル領域は、それぞれ、第1方向に順に配置された複数のサブ領域を含み、前記第1方向において、隣接する2つの前記サブ領域の間には、前記サブ領域とは逆のドーピングタイプを有する電流拡大領域があり、ここで、前記第1方向は前記基板に平行であり、前記トレンチの延在方向に平行である。
Preferably, in the above silicon carbide MOSFET device, the second-layer well region includes a first portion of the second-layer well region and a second portion of the second-layer well region located on both sides of the trench,
The second-layer well region of the first portion and the second-layer well region of the second portion each include a plurality of subregions arranged in sequence in a first direction, and between two adjacent subregions in the first direction there is a current spreading region having an opposite doping type to that of the subregions, where the first direction is parallel to the substrate and parallel to the extension direction of the trench.

好ましくは、上記の炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、各層のウェル領域、前記マスキング層及び前記接続領域のドーピングタイプは同じであり、前記接続領域のドーピング濃度は各層のウェル領域のドーピング濃度よりも高い。 Preferably, in the silicon carbide MOSFET device described above, the doping type of the well region of each layer, the masking layer and the connection region is the same, and the doping concentration of the connection region is higher than the doping concentration of the well region of each layer.

好ましくは、上記の炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、同一の前記接続領域について、前記接続領域は前記トレンチの底部から少なくとも前記第1層ウェル領域内まで延在しているか、又は、前記接続領域の一部は前記トレンチの底部から少なくとも前記第1層ウェル領域内まで延在しており、他の部分は前記エピタキシャル層の表面から前記トレンチの側壁に沿って少なくとも前記第1層ウェル領域内まで延在している。 Preferably, in the silicon carbide MOSFET device described above, for the same connection region, the connection region extends from the bottom of the trench at least into the first-layer well region, or a portion of the connection region extends from the bottom of the trench at least into the first-layer well region, and another portion extends from the surface of the epitaxial layer along the sidewall of the trench at least into the first-layer well region.

本出願はまた、上記のいずれか一項に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイスの製造方法を提供し、
半導体基板、及び前記基板の表面に設けられたエピタキシャル層を含むエピタキシャルウェーハを提供することと、
前記エピタキシャル層内にウェル領域、ソース領域及びトレンチゲートを形成することと、を含む製造方法において、
前記トレンチゲートは、前記エピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に位置するトレンチ、及び前記トレンチ内に位置するゲートを含み、前記ゲートと前記トレンチとの間にゲート誘導体層があり、
前記ソース領域は前記トレンチを取り囲み、前記トレンチの側壁に接し、
前記ウェル領域は、前記基板の前記ソース領域に向かう方向に順に設けられた第1層ウェル領域、第2層ウェル領域及び第3層ウェル領域を含み、前記トレンチの底部は前記第1層ウェル領域と前記第3層ウェル領域との間に位置し、前記第3層ウェル領域は前記トレンチを取り囲み、前記トレンチの側壁に接し、前記トレンチ下のエピタキシャル層内にドーピング領域があり、前記第1層ウェル領域は前記ドーピング領域を取り囲み、前記ドーピング領域に接し、前記第1層ウェル領域と前記第3層ウェル領域との間に部分エピタキシャル層があり、前記第2層ウェル領域は前記部分エピタキシャル層の両側に位置し、前記部分エピタキシャル層内に前記トレンチゲート底部を保護するためのマスキング層があり、前記マスキング層は前記トレンチの下に位置し、各層のウェル領域と同じドーピングタイプを有する。
The present application also provides a method for manufacturing a silicon carbide MOSFET device according to any one of the above claims, comprising:
Providing an epitaxial wafer including a semiconductor substrate and an epitaxial layer provided on a surface of the substrate;
forming a well region, a source region, and a trench gate in the epitaxial layer,
the trench gate includes a trench located in a surface of the epitaxial layer opposite the substrate, and a gate located in the trench, with a gate dielectric layer between the gate and the trench;
the source region surrounds the trench and contacts a sidewall of the trench;
The well region includes a first layer well region, a second layer well region, and a third layer well region arranged in order in a direction toward the source region of the substrate, a bottom of the trench is located between the first layer well region and the third layer well region, the third layer well region surrounds the trench and contacts a sidewall of the trench, a doping region is located in the epitaxial layer below the trench, the first layer well region surrounds the doping region and contacts the doping region, a partial epitaxial layer is located between the first layer well region and the third layer well region, the second layer well region is located on both sides of the partial epitaxial layer, and a masking layer for protecting the trench gate bottom is located in the partial epitaxial layer, the masking layer is located under the trench and has the same doping type as the well region of each layer.

好ましくは、上記の製造方法において、前記エピタキシャル層は、前記基板の表面に設けられた第1のエピタキシャル層、前記第1のエピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面に設けられた第2のエピタキシャル層、及び前記第2のエピタキシャル層の前記第1のエピタキシャル層とは反対側の表面に設けられた第3のエピタキシャル層を含み、前記第2のエピタキシャル層は、注入すべき領域、及び前記注入すべき領域を取り囲む第1層ウェル領域を有し、
前記エピタキシャル層内にウェル領域、ソース領域及びトレンチゲートを形成するのは、
前記第3のエピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に前記ソース領域、前記第2層ウェル領域及び前記第3層ウェル領域を形成することと、
前記第3のエピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に前記トレンチを形成することと、
前記トレンチに基づいて前記マスキング層及び前記ドーピング領域を形成することと、
前記トレンチに基づいて、前記マスキング層と前記第1層ウェル領域とを接続する接続領域を形成することと、
前記トレンチ内にゲート誘導体層及びゲートを形成することと、を含む。
Preferably, in the above manufacturing method, the epitaxial layer includes a first epitaxial layer provided on a surface of the substrate, a second epitaxial layer provided on a surface of the first epitaxial layer opposite to the substrate, and a third epitaxial layer provided on a surface of the second epitaxial layer opposite to the first epitaxial layer, the second epitaxial layer having a region to be implanted and a first-layer well region surrounding the region to be implanted;
Forming a well region, a source region, and a trench gate in the epitaxial layer includes:
forming the source region, the second-level well region, and the third-level well region in a surface of the third epitaxial layer opposite the substrate;
forming the trench in a surface of the third epitaxial layer opposite the substrate;
forming the masking layer and the doping region based on the trench;
forming a connection region connecting the masking layer and the first-level well region based on the trench;
forming a gate dielectric layer and a gate in the trench.

上記の説明から分かるように、本出願の技術案が提供する炭化ケイ素MOSFETデバイス及びその製造方法において、前記炭化ケイ素MOSFETデバイスは、半導体基板、及び前記基板の表面に設けられたエピタキシャル層を含むエピタキシャルウェーハと、前記エピタキシャル層内に設けられたウェル領域、ソース領域及びトレンチゲートと、を含み、ここで、前記トレンチゲートは、前記エピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に位置するトレンチ、及び前記トレンチ内に位置するゲートを含み、前記ゲートと前記トレンチとの間にゲート誘導体層があり、前記ソース領域は前記トレンチを取り囲み、前記トレンチの側壁に接し、前記ウェル領域は、前記基板の前記ソース領域に向かう方向に順に設けられた第1層ウェル領域、第2層ウェル領域及び第3層ウェル領域を含み、前記トレンチの底部は前記第1層ウェル領域と前記第3層ウェル領域との間に位置し、前記第3層ウェル領域は前記トレンチを取り囲み、前記トレンチの側壁に接し、前記トレンチの下のエピタキシャル層内にドーピング領域があり、前記第1層ウェル領域は前記ドーピング領域を取り囲み、前記ドーピング領域に接し、前記第1層ウェル領域と前記第3層ウェル領域との間に部分エピタキシャル層があり、前記第2層ウェル領域は前記部分エピタキシャル層の両側に位置し、前記部分エピタキシャル層内に前記トレンチゲート底部を保護するためのマスキング層があり、前記マスキング層は前記トレンチの下に位置し、各層のウェル領域と同じドーピングタイプを有する。 As can be seen from the above description, in the silicon carbide MOSFET device and the manufacturing method thereof provided by the technical solution of the present application, the silicon carbide MOSFET device includes an epitaxial wafer including a semiconductor substrate and an epitaxial layer provided on the surface of the substrate, and a well region, a source region, and a trench gate provided in the epitaxial layer, wherein the trench gate includes a trench located in the surface of the epitaxial layer opposite the substrate, and a gate located in the trench, a gate dielectric layer is present between the gate and the trench, the source region surrounds the trench and contacts the sidewall of the trench, and the well region is a first layer well formed in the substrate in a direction toward the source region. The trench includes a well region, a second layer well region, and a third layer well region, the bottom of the trench is located between the first layer well region and the third layer well region, the third layer well region surrounds the trench and contacts the sidewalls of the trench, there is a doping region in the epitaxial layer below the trench, the first layer well region surrounds the doping region and contacts the doping region, there is a partial epitaxial layer between the first layer well region and the third layer well region, the second layer well region is located on both sides of the partial epitaxial layer, and there is a masking layer in the partial epitaxial layer to protect the trench gate bottom, the masking layer is located below the trench and has the same doping type as the well region of each layer.

本願の実施形態又は関連技術における技術案をより明確に説明するために、実施形態又は先行技術の説明において使用する必要な図面を以下に簡単に説明する。明らかに、以下の説明における図面は本願の実施形態にすぎず、当業者であれば創造的な努力をすることなく、提供された図面に基づいて他の図面を得ることができる。 In order to more clearly describe the technical solutions in the embodiments of the present application or the related art, the necessary drawings used in the description of the embodiments or the prior art are briefly described below. Obviously, the drawings in the following description are only the embodiments of the present application, and those skilled in the art can obtain other drawings based on the drawings provided without creative efforts.

本明細書の図面に示される構造、比率、サイズなどは、本技術に精通した者が理解して読むように、明細書に開示された内容に合わせるためにのみ使用されており、本出願が実施可能な限定条件を限定するために使用されるものではないので、技術的に実質的な意義はない。いかなる構造の修飾、比率関係の変更又はサイズの調整も、本出願によって生じ得る効果及び達成できる目的に影響を与えることなく、依然として本出願に開示された技術内容の範囲内に含まれるものとする。
図1は、DMOSFETの構造概略図である。 図2は、UMOSFETの構造概略図である。 図3は、MOSFETスイッチング瞬間の電圧オーバーシュート及び発振現象を示す波形図である。 図4aは、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの構造概略図である。図4bは、図4aに示す炭化ケイ素MOSFETデバイスがオンになった瞬間の主電流経路の概略図である。図4cは、図4bに示す炭化ケイ素MOSFETデバイスの等価寄生パラメータの概略図である。 図5は、本願の実施形態によって提供される別の炭化ケイ素MOSFETデバイスの構造概略図である。 図6は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの三次元図である。 図7は、図6に示す炭化ケイ素MOSFETデバイスにおけるスペーサウェル領域、トレンチ、ドーピング領域及び接続領域の上面図である。 図8は、トレンチ延在部に垂直な方向における、図6に示す炭化ケイ素MOSFETデバイスの第1の断面図である。 図9は、トレンチ延在部に垂直な方向における、図6に示す炭化ケイ素MOSFETデバイスの第2の断面図である。 図10は、本願の実施形態によって提供される別の炭化ケイ素MOSFETデバイスの三次元図である。 図11は、図10に示す炭化ケイ素MOSFETデバイスにおけるスペーサウェル領域、トレンチ、ドーピング領域及び接続領域の上面図である。 図12は、本願の実施形態によって提供されるさらに別の炭化ケイ素MOSFETデバイスの構造概略図である。 図13は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの製造方法のプロセスフロー図である。 図14は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの製造方法のプロセスフロー図である。 図15は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの製造方法のプロセスフロー図である。 図16は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの製造方法のプロセスフロー図である。 図17は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの製造方法のプロセスフロー図である。 図18は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの製造方法のプロセスフロー図である。 図19は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの製造方法のプロセスフロー図である。 図20は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスのトレンチ設計とドーピング領域のイオン注入面積のレイアウトである。
The structures, ratios, sizes, etc. shown in the drawings of this specification are used only to fit the contents disclosed in the specification so that those skilled in the art can understand and read them, and are not used to limit the limiting conditions under which this application can be implemented, and therefore have no technically substantial meaning. Any modification of the structure, change in the ratio relationship, or adjustment of the size shall still be included in the scope of the technical content disclosed in this application without affecting the effects that can be produced and the objectives that can be achieved by this application.
FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of a DMOSFET. FIG. 2 is a schematic diagram of the structure of a UMOSFET. FIG. 3 is a waveform diagram showing the voltage overshoot and oscillation phenomenon at the moment of MOSFET switching. Figure 4a is a structural schematic diagram of a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application, Figure 4b is a schematic diagram of the main current path at the moment when the silicon carbide MOSFET device shown in Figure 4a is turned on, and Figure 4c is a schematic diagram of the equivalent parasitic parameters of the silicon carbide MOSFET device shown in Figure 4b. FIG. 5 is a structural schematic diagram of another silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 6 is a three-dimensional view of a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 7 is a top view of the spacer well regions, trenches, doping regions and connection regions in the silicon carbide MOSFET device shown in FIG. FIG. 8 is a first cross-sectional view of the silicon carbide MOSFET device shown in FIG. 6 in a direction perpendicular to the trench extension. FIG. 9 is a second cross-sectional view of the silicon carbide MOSFET device shown in FIG. 6 in a direction perpendicular to the trench extension. FIG. 10 is a three-dimensional view of another silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 11 is a top view of the spacer well regions, trenches, doping regions and connection regions in the silicon carbide MOSFET device shown in FIG. FIG. 12 is a structural schematic diagram of yet another silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 13 is a process flow diagram of a method for fabricating a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 14 is a process flow diagram of a method for fabricating a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 15 is a process flow diagram of a method for fabricating a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 16 is a process flow diagram of a method for fabricating a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 17 is a process flow diagram of a method for fabricating a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 18 is a process flow diagram of a method for fabricating a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 19 is a process flow diagram of a method for fabricating a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application. FIG. 20 is a layout of the trench design and doping region ion implantation areas of a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application.

本発明の実施形態における技術案について、本発明の実施形態における図面を参照して以下に明確かつ完全に説明するが、明らかに、説明される実施形態は本発明の実施形態の一部にすぎず、すべての実施形態ではない。本発明の実施形態に基づいて、創造的な努力なしに当業者によって得られる他のすべての実施形態は、本発明の保護の範囲内に含まれる。 The technical solutions in the embodiments of the present invention are clearly and completely described below with reference to the drawings in the embodiments of the present invention, but obviously, the described embodiments are only some of the embodiments of the present invention, and are not all of the embodiments. All other embodiments obtained by those skilled in the art without creative efforts based on the embodiments of the present invention are included in the scope of protection of the present invention.

本発明の上記目的、特徴及び利点を明白かつ理解しやすくするために、添付の図面及び特定の実施形態を参照して、本発明を以下にさらに詳細に説明する。 In order to make the above objects, features and advantages of the present invention clear and easily understandable, the present invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings and specific embodiments.

SiC材料は、その優れた特性により高電力に強い魅力を持ち、高特性パワーMOSFETに最適な材料の1つとなっている。SiC縦型パワーMOSFETデバイスには、主に横型二重拡散DMOSFETと縦型ゲートトレンチ構造のUMOSFETが含まれる。 SiC material has strong appeal for high power due to its excellent properties, making it one of the best materials for high performance power MOSFETs. SiC vertical power MOSFET devices mainly include lateral double-diffused DMOSFETs and vertical gate trench UMOSFETs.

図1に示すように、図1はDMOSFETの構造概略図であり、n+(n型高濃度ドーピング)の基板2と、基板2の表面に設けられたn-(n型低濃度ドーピング)のドリフト領域3と、ドリフト領域3内に位置するp型ウェル領域4と、p型ウェル領域内に位置する、n+ドーピング領域51及びp+(p型高濃度ドーピング)ドーピング領域52を含むソース領域5とを含む。ドリフト領域3の表面にはゲート誘導体層7が設けられ、ゲート誘導体層7の表面にはゲート8が設けられている。基板2のドリフト領域3とは反対側の表面にはドレイン1が設けられている。 As shown in FIG. 1, FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of a DMOSFET, and includes an n+ (high n-type doping) substrate 2, an n- (low n-type doping) drift region 3 provided on the surface of the substrate 2, a p-type well region 4 located in the drift region 3, and a source region 5 including an n+ doped region 51 and a p+ (high p-type doping) doped region 52 located in the p-type well region. A gate dielectric layer 7 is provided on the surface of the drift region 3, and a gate 8 is provided on the surface of the gate dielectric layer 7. A drain 1 is provided on the surface of the substrate 2 opposite the drift region 3.

DMOSFET構造は、平面拡散技術を採用し、マスクとして多結晶シリコンゲートなどの高融点材料を採用し、多結晶シリコンゲートのエッジを使用してpベース領域及びn+ソース領域を定義する。DMOSという名前は、この二重拡散プロセスに由来している。p型ベース領域とn+ソース領域の側面拡散差を利用して表面チャネル領域を形成する。 The DMOSFET structure employs planar diffusion technology, employing a high melting point material such as a polysilicon gate as a mask, and using the edges of the polysilicon gate to define the p-base and n+ source regions. The name DMOS is derived from this double diffusion process. The lateral diffusion difference between the p-type base and n+ source regions is used to form the surface channel region.

図2に示すように、図2はUMOSFETの構造概略図であり、図1に示す構造と異なる点は、UMOSFETにはU字型トレンチが設けられており、U字型トレンチの表面はゲート誘導体層7で覆われ、ゲート8はU字型トレンチに充填されることにある。縦型ゲートトレンチ構造のUMOSFETという名前は、U字型トレンチ構造に由来している。このU字型トレンチ構造は、反応イオンエッチングを使用してゲート領域に形成される。U字型トレンチ構造は、チャネル密度(チャネル密度はアクティブ領域のチャネル幅と定義される)が高いため、デバイスのオン状態特性の抵抗が大幅に減少する。 As shown in Figure 2, Figure 2 is a schematic diagram of the structure of a UMOSFET, which differs from the structure shown in Figure 1 in that the UMOSFET is provided with a U-shaped trench, the surface of the U-shaped trench is covered with a gate dielectric layer 7, and the gate 8 is filled into the U-shaped trench. The name UMOSFET with vertical gate trench structure comes from the U-shaped trench structure. This U-shaped trench structure is formed in the gate region using reactive ion etching. The U-shaped trench structure has a high channel density (channel density is defined as the channel width of the active region), which greatly reduces the resistance of the on-state characteristics of the device.

業界では平面型SiC MOSFETに関する長年の研究を経て、一部のメーカーが率先して商用製品を発売している。一般的な横型DMOSFET構造では、現代の技術進歩により、MOSセルサイズを小さくしてもオン抵抗を下げることができなくなる。その主な理由は、JFETネック領域の抵抗の制限により、より小さなフォトリソグラフィーサイズを使用しても、単位面積あたりのオン抵抗を2mΩ・cmまで低減しにくいためであるが、トレンチ構造はこの問題を効果的に解決できる。U字型トレンチ構造は図2に示されており、メモリストレージキャパシタ製造の様々なプロセスでトレンチエッチング技術を採用して、導電チャネルを横方向から縦方向に変更し、通常の構造と比較してJFETネック抵抗を排除し、セル密度を大幅に増加させ、パワー半導体の電流処理能力を向上させる。 After many years of research on planar SiC MOSFETs in the industry, some manufacturers have taken the initiative to launch commercial products. In the general lateral DMOSFET structure, modern technological advances mean that the on-resistance cannot be reduced even by reducing the MOS cell size. The main reason is that due to the resistance limitations of the JFET neck region, even if smaller photolithography sizes are used, it is difficult to reduce the on-resistance per unit area to 2 mΩ· cm2 , but the trench structure can effectively solve this problem. The U-shaped trench structure is shown in Figure 2, and the trench etching technology is adopted in various processes of memory storage capacitor manufacturing to change the conductive channel from lateral to vertical, which eliminates the JFET neck resistance compared with the normal structure, greatly increases the cell density, and improves the current handling capability of the power semiconductor.

しかしながら、SiC UMOSFETには、実際のプロセス作製及び応用において依然としていくつかの問題がある。 However, SiC UMOSFETs still have some problems in practical process fabrication and applications.

1)SiCドリフト領域の高電界によりゲート誘導体層に高電界が発生し、この問題はトレンチコーナーでさらに悪化し、それによって高いドレイン電圧下でゲート誘導体層が急速に破壊され、過酷な環境での静電気効果や回路内の高電圧スパイクに対する耐性が低くなる。 1) The high electric field in the SiC drift region creates high electric fields in the gate dielectric layer, and this problem is further exacerbated at the trench corners, which causes the gate dielectric layer to break down quickly under high drain voltages and makes it less resistant to electrostatic effects in harsh environments and high voltage spikes in the circuit.

2)SiCパワーMOSFETは主に高電圧、高周波、大電流の分野で使用されるため、図3に示すように回路内の寄生パラメータにより高周波スイッチングプロセス中にスパイクバリが発生する。図3は、MOSFETスイッチング瞬間の電圧オーバーシュート及び発振現象を示す波形図であり、図3に基づいて、デバイスの電流経路に瞬間的な過電圧が発生するとともにスイッチングプロセスの損失が増加するか、又は電力負荷などの変化により大きなサージ電圧が発生することが分かるため、MOSFETのサージ電圧に耐える能力や過電圧保護も非常に重要である。 2) SiC power MOSFETs are mainly used in the fields of high voltage, high frequency, and large current, so spike burrs occur during the high frequency switching process due to parasitic parameters in the circuit, as shown in Figure 3. Figure 3 is a waveform diagram showing the voltage overshoot and oscillation phenomenon at the moment of MOSFET switching. Based on Figure 3, it can be seen that instantaneous overvoltage occurs in the current path of the device and the loss in the switching process increases, or a large surge voltage occurs due to changes in power load, etc., so the ability of the MOSFET to withstand surge voltages and overvoltage protection are also very important.

従来のMOSFETデバイス自体にはサージ電圧自己抑制能力や過電圧保護能力が備わっていないため、実際の応用では複雑なバッファ回路、サージ電圧抑制回路、過電圧保護回路を設計する必要があることが多い。しかし、このような外部マッチング抑制及び過電圧保護回路には時間遅延が生じることが多く、実際のスイッチングプロセス中の高周波スパイク電圧サージは依然としてデバイス自体に負担されており、これがデバイスのチャネル区の破壊故障、及びゲート構造と電極のオーム接触領域の故障に徐々に繋がり、デバイスの信頼性の問題を引き起こす場合がある。 Conventional MOSFET devices themselves do not have the surge voltage self-suppression ability or overvoltage protection ability, so in practical applications, it is often necessary to design complex buffer circuits, surge voltage suppression circuits, and overvoltage protection circuits. However, such external matching suppression and overvoltage protection circuits often have time delays, and the high-frequency spike voltage surge during the actual switching process is still borne by the device itself, which may gradually lead to breakdown failure of the channel region of the device and failure of the ohmic contact area of the gate structure and electrode, causing device reliability problems.

3)イオン注入の深さが限られているため、多くの対象となるトレンチゲート保護構造や耐サージ設計を技術的に実現することが困難である。一般に、ゲートを形成するためのトレンチ深さは1μm~2μm以上であり、トレンチ内のゲート構造を保護する必要があるため、埋め込み保護構造の実際の作製プロセスをイオン注入によって直接完了することができない。炭化ケイ素プロセスでは、イオン注入の深さが1μmを超えにくいためである。炭化ケイ素材料の特性上、より深い注入深さでドーピングを実現するためには、高エネルギーのイオン注入により格子に損傷が生じるため、より深いドーピング領域を有する炭化ケイ素MOSFETデバイスを作製する場合、エピタキシャルウェーハの作製過程では、先に形成されたエピタキシャル層にエッチング及びイオン注入により必要なドーピング領域を形成した後、次のエピタキシャル層を形成する必要がある。そのため、従来のプロセスでは、先に形成されたエピタキシャル層にエッチング及びイオン注入により必要なドーピング領域を形成した後、特定構造のP型エピタキシャル層を2層形成することが一般的であり、作製プロセスが複雑になり、作製コストが高くなる。 3) The depth of ion implantation is limited, making it difficult to technically realize many targeted trench gate protection structures and surge resistance designs. Generally, the trench depth for forming the gate is 1 μm to 2 μm or more, and since it is necessary to protect the gate structure in the trench, the actual fabrication process of the buried protection structure cannot be completed directly by ion implantation. This is because the ion implantation depth is difficult to exceed 1 μm in the silicon carbide process. Due to the characteristics of silicon carbide materials, in order to achieve doping at a deeper implantation depth, high-energy ion implantation causes damage to the lattice, so when fabricating a silicon carbide MOSFET device with a deeper doping region, in the epitaxial wafer fabrication process, it is necessary to form the necessary doping region in the previously formed epitaxial layer by etching and ion implantation, and then form the next epitaxial layer. Therefore, in the conventional process, it is common to form the necessary doping region in the previously formed epitaxial layer by etching and ion implantation, and then form two P-type epitaxial layers of a specific structure, which makes the fabrication process complicated and increases the fabrication cost.

図4aに示すように、図4aは、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの構造概略図であり、
半導体基板10、及び前記基板10の表面に設けられたエピタキシャル層を含むエピタキシャルウェーハと、
前記エピタキシャル層内に設けられたウェル領域、ソース領域15及びトレンチゲートと、を含む。
As shown in FIG. 4a, FIG. 4a is a structural schematic diagram of a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application;
An epitaxial wafer including a semiconductor substrate 10 and an epitaxial layer provided on a surface of the substrate 10;
The epitaxial layer includes a well region, a source region, and a trench gate.

ここで、前記トレンチゲートは、前記エピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に位置するトレンチ20、及び前記トレンチ20内に位置するゲート18を含み、前記ゲート18と前記トレンチ20との間にゲート誘導体層181がある。 Here, the trench gate includes a trench 20 located in the surface of the epitaxial layer opposite the substrate, and a gate 18 located in the trench 20, with a gate dielectric layer 181 between the gate 18 and the trench 20.

前記ソース領域15は前記トレンチ20を取り囲み、前記トレンチ20の側壁に接している。 The source region 15 surrounds the trench 20 and contacts the sidewalls of the trench 20.

前記ウェル領域は、前記基板10の前記ソース領域15に向かう方向に順に設けられた第1層ウェル領域141、第2層ウェル領域142及び第3層ウェル領域143を含み、前記トレンチ20の底部は前記第1層ウェル領域141と前記第3層ウェル領域143との間に位置し、前記第3層ウェル領域143は前記トレンチ20を取り囲み、前記トレンチ20の側壁に接し、前記トレンチ20の下のエピタキシャル層内にドーピング領域17があり、前記第1層ウェル領域141は前記ドーピング領域17を取り囲み、前記ドーピング領域17に接し、前記第1層ウェル領域141と前記第3層ウェル領域143との間に部分エピタキシャル層100があり、前記第2層ウェル領域142は前記部分エピタキシャル層100の両側に位置している。 The well region includes a first layer well region 141, a second layer well region 142, and a third layer well region 143 arranged in sequence in a direction toward the source region 15 of the substrate 10, the bottom of the trench 20 is located between the first layer well region 141 and the third layer well region 143, the third layer well region 143 surrounds the trench 20 and contacts the sidewall of the trench 20, there is a doping region 17 in the epitaxial layer below the trench 20, the first layer well region 141 surrounds the doping region 17 and contacts the doping region 17, there is a partial epitaxial layer 100 between the first layer well region 141 and the third layer well region 143, and the second layer well region 142 is located on both sides of the partial epitaxial layer 100.

基板10のエピタキシャル層とは反対側に金属ドレイン19がある。前記ソース領域15は、逆のドーピングタイプを有する第1の領域151及び第2の領域152を含み、第1の領域151がn+型ドーピング領域であり、第2の領域152がp+型ドーピング領域であるように設定することができる。金属ソース21は第1の領域151と第2の領域152の両方に接している。ソース領域15の表面に絶縁層16があり、絶縁層16は金属ソース21及びゲート18を露出している。ゲート18は、トレンチ20内に位置する充填誘導体、及び充填誘導体の表面上に位置する金属ゲートを含む。 On the opposite side of the substrate 10 from the epitaxial layer is a metal drain 19. The source region 15 includes a first region 151 and a second region 152 having opposite doping types, and the first region 151 can be configured to be an n+ type doped region and the second region 152 can be configured to be a p+ type doped region. A metal source 21 is in contact with both the first region 151 and the second region 152. On the surface of the source region 15 is an insulating layer 16, which exposes the metal source 21 and a gate 18. The gate 18 includes a fill dielectric located in the trench 20 and a metal gate located on the surface of the fill dielectric.

図4aに示される炭化ケイ素MOSFETデバイスでは、ウェル領域構造は、第1層ウェル領域141、第2層ウェル領域142及び第3層ウェル領域143の3つの層を含む。最上層の第3層ウェル領域143は、トレンチ20の左右両側に位置してトレンチ20の側壁に接している。中間層の第2層ウェル領域142は、トレンチ20の左右両側に位置する2つの部分を含み、トレンチ20の側壁に接していない。最下層の第1層ウェル領域141は、トレンチ20の下に位置し、トレンチ20に接していない。 In the silicon carbide MOSFET device shown in FIG. 4a, the well region structure includes three layers: a first-layer well region 141, a second-layer well region 142, and a third-layer well region 143. The top third-layer well region 143 is located on both the left and right sides of the trench 20 and contacts the sidewalls of the trench 20. The middle second-layer well region 142 includes two portions located on both the left and right sides of the trench 20 and does not contact the sidewalls of the trench 20. The bottom first-layer well region 141 is located below the trench 20 and does not contact the trench 20.

第2層ウェル領域142の左右2つの部分とセル構造の垂直中心軸との間の距離は、第1層ウェル領域141の左右2つの部分とセル構造の垂直中心軸との間の距離よりも大きく、具体的には、セル構造の垂直中心軸はトレンチ20の中心軸であり、図4aの点線で示すように、第2層ウェル領域142に対して、第1層ウェル領域141は前記中心軸に近い。第1層ウェル領域141が第2層ウェル領域142よりもトレンチ側壁に近く、トレンチ20底部のトレンチコーナーを保護し、寄生JFETを形成し、高周波発振及びサージを抑制することができる。第2層ウェル領域142は、第1層ウェル領域141をソースに接続することにより、第1層ウェル領域141がサージを抑制することができる。 The distance between the two left and right parts of the second-layer well region 142 and the vertical central axis of the cell structure is greater than the distance between the two left and right parts of the first-layer well region 141 and the vertical central axis of the cell structure. Specifically, the vertical central axis of the cell structure is the central axis of the trench 20, and as shown by the dotted line in FIG. 4a, the first-layer well region 141 is closer to the central axis than the second-layer well region 142. The first-layer well region 141 is closer to the trench sidewall than the second-layer well region 142, which protects the trench corner at the bottom of the trench 20, forms a parasitic JFET, and can suppress high-frequency oscillation and surges. The second-layer well region 142 can suppress surges by connecting the first-layer well region 141 to the source.

前記ドーピング領域17により、ソースとドレインの間の電流路径上に特定のJFET構造を形成することができ、また、JFET構造の伝導特性は、前記ドーピング領域17のパターン設計、イオン注入濃度及びパターン輪郭により最適化して調整し、MOSFETデバイスの性能を向上させることができる。 The doping region 17 allows a specific JFET structure to be formed on the current path diameter between the source and drain, and the conduction characteristics of the JFET structure can be optimized and adjusted by the pattern design, ion implantation concentration, and pattern contour of the doping region 17 to improve the performance of the MOSFET device.

本出願の技術案は、エピタキシャルウェーハ内に第2のエピタキシャル層12及び第2のエピタキシャル層12を貫通する前記ドーピング領域17を巧みに設計することにより、SiCトレンチMOSFETのゲート酸化膜構造のシールド及び炭化ケイ素材料の深い注入プロセスの問題を解決した。同時に、前記ドーピング領域17は、デバイスの電流経路上にイオン注入により変調可能なJFET構造を導入することもでき、デバイスのオン抵抗と自己ロッキング保護効果を自動的に調整すると同時に、デバイスセルサイズを小さく維持することもできる。 The technical solution of the present application solves the problems of the shielding of the gate oxide film structure of the SiC trench MOSFET and the deep implantation process of silicon carbide material by cleverly designing the second epitaxial layer 12 and the doping region 17 penetrating the second epitaxial layer 12 in the epitaxial wafer. At the same time, the doping region 17 can also introduce a JFET structure that can be modulated by ion implantation on the current path of the device, automatically adjusting the on-resistance and self-locking protection effect of the device, while keeping the device cell size small.

図4aに示す炭化ケイ素MOSFETデバイスには、少なくとも次の有益な効果がある。 The silicon carbide MOSFET device shown in Figure 4a has at least the following beneficial effects:

前記炭化ケイ素MOSFETデバイスは、セル構造の電流経路にJFET構造を導入することができ、デバイスのオン抵抗と自己ロッキング保護効果を自動的に調整すると同時に、デバイスセルサイズを小さく維持することもでき、また、JFET構造の伝導特性は、前記ドーピング領域17のパターン設計、イオン注入濃度及びパターン輪郭によって最適化及び調整され、設計及びプロセスは柔軟であり、良好な製造可能性を有する。 The silicon carbide MOSFET device can introduce a JFET structure into the current path of the cell structure, automatically adjusting the device on-resistance and self-locking protection effect while keeping the device cell size small, and the conduction characteristics of the JFET structure are optimized and adjusted by the pattern design, ion implantation concentration and pattern contour of the doping region 17, and the design and process are flexible and have good manufacturability.

埋め込み層(第2のエピタキシャル層12)を有するエピタキシャルウェーハ、及び前記ドーピング領域17の注入によって変調されたJFET構造を利用すると、大きなサージ電圧下で両側の空乏領域を自動的に拡大してJFET構造のオン抵抗を増加させることができ、サージスパイクを独自に抑制するバッファ回路構造と同等である。同時に、サージ電圧が大きすぎると、両側の空乏領域が拡大し続けて互いに重なり合い、ブロッキング効果を発揮し、内部のトレンチ表面のゲート誘導体層を保護し、スパイク電圧の過電圧保護において一定の役割を果たす。 By utilizing an epitaxial wafer with a buried layer (second epitaxial layer 12) and a JFET structure modulated by the injection of the doping region 17, the depletion regions on both sides can be automatically enlarged under a large surge voltage to increase the on-resistance of the JFET structure, which is equivalent to a buffer circuit structure that independently suppresses surge spikes. At the same time, when the surge voltage is too large, the depletion regions on both sides continue to expand and overlap each other, exerting a blocking effect, protecting the gate dielectric layer on the inner trench surface, and playing a certain role in the overvoltage protection of the spike voltage.

JFET構造の導入によりオン抵抗はある程度増加するが、スイッチングバッファ効果とサージ電圧自己抑制効果がある。 The introduction of a JFET structure increases the on-resistance to some extent, but it also provides a switching buffer effect and a self-suppression effect against surge voltage.

前記炭化ケイ素MOSFETデバイスは、サージ電圧や過電圧に対するデバイスの自己抑制耐性を高め、過電圧保護回路や過電流保護回路の実際の時間遅延によって引き起こされるデバイスの損傷や信頼性の低下を回避することができる。 The silicon carbide MOSFET device enhances the device's self-limiting immunity to surge voltages and overvoltages, and can avoid damage to the device and reduced reliability caused by the actual time delays of overvoltage and overcurrent protection circuits.

同時に、回路スイッチングプロセス中のスパイクジッターを緩衝し、スイッチング損失を低減する。回路設計におけるバッファ回路及びバッファ回路構造を削減し、ディスクリート部品を削減できるため、コストを削減し、実際のモジュール体積も削減し、信頼性が向上する。 At the same time, it buffers spike jitter during the circuit switching process and reduces switching losses. It can reduce the number of buffer circuits and buffer circuit structures in the circuit design and reduce discrete components, thus reducing costs, reducing the actual module volume, and improving reliability.

図4bに示すように、図4bは、図4aに示す炭化ケイ素MOSFETデバイスがオンになった瞬間の主電流経路の概略図であり、ソースとドレインの間に電流経路があり、図4bに示される中央の点線の曲線は回路経路を表し、電流通過はドーピング領域17に基づいて形成されたJFET構造を通過する。電流の急速な変化により、回路内に高周波スパイク電圧が発生し、同時に電流経路上の電圧の急速な変化により、JFET構造の空乏領域(図4bの左右の2つの点線の曲線の間の領域)は様々な電圧変化に対応して急速に拡大又は縮小し、このとき、JFET構造は、図4cに示すように、可変抵抗Rと接合容量Cの並列構造と等価になり、図4cは、図4bに示す炭化ケイ素MOSFETデバイスの等価寄生パラメータの概略図である。 As shown in FIG. 4b, FIG. 4b is a schematic diagram of the main current path at the moment when the silicon carbide MOSFET device shown in FIG. 4a is turned on, there is a current path between the source and the drain, the central dotted curve shown in FIG. 4b represents the circuit path, the current passing through the JFET structure formed based on the doping region 17. Due to the rapid change of the current, a high-frequency spike voltage is generated in the circuit, and at the same time, due to the rapid change of the voltage on the current path, the depletion region of the JFET structure (the area between the two dotted curves on the left and right in FIG. 4b) rapidly expands or contracts corresponding to various voltage changes, at this time, the JFET structure becomes equivalent to a parallel structure of a variable resistance R and a junction capacitance C, as shown in FIG. 4c, and FIG. 4c is a schematic diagram of the equivalent parasitic parameters of the silicon carbide MOSFET device shown in FIG. 4b.

特定の回路応用及びデバイスの電学モデルシミュレーションを通じて、適切な第2のエピタキシャル層12の厚さd及びドーピング濃度、ならびにドーピング領域17のイオン注入構造のパターン設計、濃度及びパターン輪郭設計を選択して最適化して調整することにより、適切な寄生パラメータ値(必要な可変抵抗R及び接合容量C)が得られ、異なるスイッチング周波数を有する回路モジュールで実際に使用される場合に、電圧スパイクを効果的に抑制するとともに、ターンオン損失を低減することができる。 Through electrical model simulation of a specific circuit application and device, appropriate thickness d and doping concentration of the second epitaxial layer 12, as well as the pattern design, concentration and pattern contour design of the ion implantation structure of the doping region 17 can be selected, optimized and adjusted to obtain appropriate parasitic parameter values (required variable resistance R and junction capacitance C) to effectively suppress voltage spikes and reduce turn-on losses when actually used in circuit modules with different switching frequencies.

図4aに示す炭化ケイ素MOSFETデバイスでは、トレンチゲート底部の耐圧性能をさらに改善する必要があるため、これに基づいて、図5に示すように、図5は、本願の実施形態によって提供される別の炭化ケイ素MOSFETデバイスの構造概略図であり、
半導体基板10、及び前記基板の表面に設けられたエピタキシャル層を含むエピタキシャルウェーハと、
前記エピタキシャル層内に設けられたウェル領域、ソース領域15及びトレンチゲートと、を含む。
In the silicon carbide MOSFET device shown in FIG. 4a, the breakdown voltage performance at the bottom of the trench gate needs to be further improved, so on this basis, as shown in FIG. 5, FIG. 5 is a structural schematic diagram of another silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application:
An epitaxial wafer including a semiconductor substrate 10 and an epitaxial layer provided on a surface of the substrate;
The epitaxial layer includes a well region, a source region, and a trench gate.

ここで、前記トレンチゲートは、前記エピタキシャル層の前記基板10とは反対側の表面内に位置するトレンチ20、及び前記トレンチ20内に位置するゲート18を含み、前記ゲート18と前記トレンチ20との間にゲート誘導体層181がある。 Here, the trench gate includes a trench 20 located in the surface of the epitaxial layer opposite the substrate 10, and a gate 18 located in the trench 20, with a gate dielectric layer 181 between the gate 18 and the trench 20.

前記ソース領域15は前記トレンチ20を取り囲み、前記トレンチ20の側壁に接している。 The source region 15 surrounds the trench 20 and contacts the sidewalls of the trench 20.

前記ウェル領域は、前記基板10の前記ソース領域15に向かう方向に順に設けられた第1層ウェル領域141、第2層ウェル領域142及び第3層ウェル領域143を含み、前記トレンチ20の底部は前記第1層ウェル領域141と前記第3層ウェル領域143との間に位置し、前記第3層ウェル領域143は前記トレンチ20を取り囲み、前記トレンチの側壁20に接し、前記トレンチ20の下のエピタキシャル層内にドーピング領域17があり、前記第1層ウェル領域141は前記ドーピング領域17を取り囲み、前記ドーピング領域17に接し、前記第1層ウェル領域141と前記第3層ウェル領域143との間に部分エピタキシャル層100があり、前記第2層ウェル領域142は前記部分エピタキシャル層100の両側に位置し、前記部分エピタキシャル層100内に前記トレンチゲート底部を保護するためのマスキング層31があり、前記マスキング層31は前記トレンチ20の下に位置し、各層のウェル領域と同じドーピングタイプを有する。各層のウェル領域のドーピングタイプは同じである。 The well region includes a first layer well region 141, a second layer well region 142, and a third layer well region 143, which are arranged in sequence in a direction toward the source region 15 of the substrate 10. The bottom of the trench 20 is located between the first layer well region 141 and the third layer well region 143. The third layer well region 143 surrounds the trench 20 and contacts the sidewall 20 of the trench. A doping region 17 is present in the epitaxial layer below the trench 20. The first layer well region 141 surrounds the doping region 17 and contacts the doping region 17, there is a partial epitaxial layer 100 between the first layer well region 141 and the third layer well region 143, the second layer well region 142 is located on both sides of the partial epitaxial layer 100, there is a masking layer 31 in the partial epitaxial layer 100 to protect the bottom of the trench gate, the masking layer 31 is located under the trench 20, and has the same doping type as the well region of each layer. The doping type of the well region of each layer is the same.

任意選択で、各層のウェル領域は、ドーピングタイプが同じ、濃度が同じであり、即ち、第1層ウェル領域141、第2層ウェル領域142及び第3層ウェル領域143のドーピングタイプ及びドーピング濃度はすべて同じであり、例えば、すべてpドーピングであってもよい。前記マスキング層31は、各層のウェル領域と同じドーピング濃度を有してもよく、pドーピングであってもよく、各層のウェル領域のドーピング濃度よりも高くてもよく、例えば、前記マスキング層31はp+ドーピングであってもよい。明らかに、他の態様では、第1層ウェル領域141、第2層ウェル領域142及び第3層ウェル領域143のドーピング濃度は異なっていてもよい。 Optionally, the well regions of each layer have the same doping type and concentration, i.e., the doping types and doping concentrations of the first layer well region 141, the second layer well region 142 and the third layer well region 143 are all the same, for example, all p-doped. The masking layer 31 may have the same doping concentration as the well regions of each layer, may be p-doped, or may be higher than the doping concentration of the well regions of each layer, for example, the masking layer 31 may be p+ doped. Obviously, in other aspects, the doping concentrations of the first layer well region 141, the second layer well region 142 and the third layer well region 143 may be different.

図5に示す態様では、前記トレンチ20の下に前記マスキング層31を設けることにより、トレンチゲート底部を保護し、トレンチゲート底部の耐圧性能を向上させることができる。 In the embodiment shown in FIG. 5, the masking layer 31 is provided under the trench 20 to protect the bottom of the trench gate and improve the breakdown voltage performance of the bottom of the trench gate.

ここで、前記基板10に垂直な方向において、前記マスキング層31から前記トレンチ20底部までの距離は、前記トレンチゲート底部を効果的に保護できるように、前記第1層ウェル領域141までの距離よりも小さい。任意選択で、前記マスキング層31は前記トレンチ20底部に接しており、即ち、前記トレンチ20底部との間の距離は0である。 Here, in a direction perpendicular to the substrate 10, the distance from the masking layer 31 to the bottom of the trench 20 is smaller than the distance to the first-layer well region 141 so as to effectively protect the bottom of the trench gate. Optionally, the masking layer 31 is in contact with the bottom of the trench 20, i.e., the distance between the masking layer 31 and the bottom of the trench 20 is 0.

図5に示す態様では、前記基板10上の前記ドーピング領域17の垂直投影は、前記基板10上の前記トレンチ20の垂直投影内に位置する。前記基板10上の前記トレンチ20の垂直投影は、前記基板10上の前記部分エピタキシャル層100の垂直投影内に位置し、2つの前記垂直投影はゼロでない間隔を有し、即ち、図5における第2層ウェル領域142の2つの部分とトレンチ20の側壁との間隔はゼロではない。 In the embodiment shown in FIG. 5, the vertical projection of the doping region 17 on the substrate 10 lies within the vertical projection of the trench 20 on the substrate 10. The vertical projection of the trench 20 on the substrate 10 lies within the vertical projection of the partial epitaxial layer 100 on the substrate 10, and the two vertical projections have a non-zero spacing, i.e., the spacing between the two portions of the second-layer well region 142 in FIG. 5 and the sidewall of the trench 20 is not zero.

図5に示すように、前記部分エピタキシャル層100内にさらに前記マスキング層31と前記第1層ウェル領域141とを接続する接続領域32があり、前記接続領域32は各層のウェル領域と同じドーピングタイプを有する。前記接続領域32は、前記マスキング層31と前記第1層ウェル領域141を接続し、トレンチゲート底部を「カプセル」形状に巧みに包み込むことにより、より良好なトレンチ底部保護を達成する。 5, the partial epitaxial layer 100 further includes a connection region 32 connecting the masking layer 31 and the first-layer well region 141, the connection region 32 having the same doping type as the well region of each layer. The connection region 32 connects the masking layer 31 and the first-layer well region 141, and achieves better trench bottom protection by cleverly encapsulating the trench gate bottom in an "encapsulation" shape.

前記接続領域32を設けることにより、前記マスキング層31が前記接続領域32を介して第3層ウェル領域143に接続し、さらにソース領域15に接続することができ、ソース21を介して接地することができ、一方では、前記マスキング層31の浮遊電位により長期間の動的スイッチング動作中に動的キャリア捕獲による蓄積効果が生じることを回避し、動的キャリア捕獲による蓄積効果により前記マスキング層31による前記トレンチゲート底部の保護が徐々に失われることを回避することができ、もう一方では、前記マスキング層31の浮遊電位に起因するゲート寄生容量の増大の問題を回避し、寄生容量に起因するスイッチング損失の増大の問題を回避する。 By providing the connection region 32, the masking layer 31 can be connected to the third-layer well region 143 via the connection region 32, and further connected to the source region 15, and can be grounded via the source 21. On the one hand, it is possible to avoid the accumulation effect caused by dynamic carrier capture during long-term dynamic switching operation due to the floating potential of the masking layer 31, and to avoid the gradual loss of protection of the bottom of the trench gate by the masking layer 31 due to the accumulation effect caused by dynamic carrier capture. On the other hand, it is possible to avoid the problem of an increase in gate parasitic capacitance caused by the floating potential of the masking layer 31, and to avoid the problem of an increase in switching loss caused by parasitic capacitance.

各層のウェル領域、前記マスキング層31及び前記接続領域32のドーピングタイプは同じであり、前記マスキング層31と前記第1層ウェル領域141との接続抵抗を低減するために、前記接続領域32のドーピング濃度は各層のウェル領域のドーピング濃度よりも高い。例えば、各層のウェル領域がpドーピングであり、前記接続領域32がp+ドーピングであると設定することができる。 The doping type of the well region of each layer, the masking layer 31, and the connection region 32 is the same, and the doping concentration of the connection region 32 is higher than the doping concentration of the well region of each layer to reduce the connection resistance between the masking layer 31 and the first layer well region 141. For example, it can be set that the well region of each layer is p-doped and the connection region 32 is p+ doped.

図6~図9に示すように、図6は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの三次元図であり、図7は、図6に示す炭化ケイ素MOSFETデバイスにおけるスペーサウェル領域、トレンチ、ドーピング領域及び接続領域の上面図であり、図8は、トレンチ延在部に垂直な方向における、図6に示す炭化ケイ素MOSFETデバイスの第1の断面図であり、図9は、トレンチ延在部に垂直な方向における、図6に示す炭化ケイ素MOSFETデバイスの第2の断面図である。ここで、図8の断面は、ドーピング領域17の両側の2つの対向する前記接続領域32を通過し、図9の断面は、第1方向Xに隣接する2つの前記接続領域32の間の間隔領域内を通過する。 As shown in Figures 6 to 9, Figure 6 is a three-dimensional view of a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application, Figure 7 is a top view of the spacer well region, trench, doping region and connection region in the silicon carbide MOSFET device shown in Figure 6, Figure 8 is a first cross-sectional view of the silicon carbide MOSFET device shown in Figure 6 in a direction perpendicular to the trench extension, and Figure 9 is a second cross-sectional view of the silicon carbide MOSFET device shown in Figure 6 in a direction perpendicular to the trench extension. Here, the cross section of Figure 8 passes through two opposing connection regions 32 on either side of the doping region 17, and the cross section of Figure 9 passes within the spacing region between two adjacent connection regions 32 in the first direction X.

図6に示すように、前記第1層ウェル領域141は、前記トレンチ20の両側にそれぞれ位置する第1部分の第1層ウェル領域141a及び第2部分の第1層ウェル領域141bを含み、前記第1部分の第1層ウェル領域141aは、少なくとも1つの前記接続領域32を介して前記マスキング層31に接続され、且つ/又は、前記第2部分の第1層ウェル領域141bは、少なくとも1つの前記接続領域32を介して前記マスキング層31に接続される。 As shown in FIG. 6, the first-layer well region 141 includes a first portion first-layer well region 141a and a second portion first-layer well region 141b located on both sides of the trench 20, and the first portion first-layer well region 141a is connected to the masking layer 31 via at least one of the connection regions 32, and/or the second portion first-layer well region 141b is connected to the masking layer 31 via at least one of the connection regions 32.

接続信頼性及び安定性を向上させ、接続インピーダンスを低減するために、図6及び図7に示すように、前記第1部分の第1層ウェル領域141aが第1方向Xに順に配置された複数の前記接続領域32を介して前記マスキング層31に接続され、且つ/又は、前記第2部分の第1層ウェル領域141bが第1方向Xに順に配置された複数の前記接続領域32を介して前記マスキング層31に接続されるように設定する。ここで、前記第1方向Xは前記基板10に平行であり、前記トレンチ20の延在方向に平行である。 In order to improve connection reliability and stability and reduce connection impedance, as shown in FIG. 6 and FIG. 7, the first-layer well region 141a of the first portion is connected to the masking layer 31 via a plurality of the connection regions 32 arranged in sequence in the first direction X, and/or the first-layer well region 141b of the second portion is connected to the masking layer 31 via a plurality of the connection regions 32 arranged in sequence in the first direction X. Here, the first direction X is parallel to the substrate 10 and parallel to the extension direction of the trench 20.

1つの前記トレンチ20に対して、前記トレンチの下に少なくとも1つのドーピング領域17があるように設定することができ、前記トレンチ20の下に複数のドーピング領域17がある場合、複数の前記ドーピング領域17は第1方向Xに順に配置され、ドーピング領域17の数は、図7に示す2つを含むがこれに限定されず、必要に応じて任意の数に設定することができる。トレンチゲート底部の保護効果を確保するために、前記マスキング層31は、トレンチ20の下に位置し、トレンチ20の一端から他端まで延在するモノリシック構造として設定される。 For one trench 20, at least one doping region 17 may be set under the trench. If there are multiple doping regions 17 under the trench 20, the multiple doping regions 17 are arranged in sequence in the first direction X, and the number of doping regions 17 may be any number as required, including but not limited to the two shown in FIG. 7. In order to ensure the protection effect of the bottom of the trench gate, the masking layer 31 is located under the trench 20 and is set as a monolithic structure extending from one end of the trench 20 to the other end.

図6及び図7に示すように、前記第2層ウェル領域142は前記トレンチ20の両側にそれぞれ位置する第1部分の第2層ウェル領域及び第2部分の第2層ウェル領域を含み、前記第1部分の第2層ウェル領域及び前記第2部分の第2層ウェル領域はそれぞれ一体化された構造である。 As shown in FIG. 6 and FIG. 7, the second-layer well region 142 includes a first portion second-layer well region and a second portion second-layer well region located on both sides of the trench 20, and the first portion second-layer well region and the second portion second-layer well region are each an integrated structure.

図10及び図11に示すように、図10は、本願の実施形態によって提供される別の炭化ケイ素MOSFETデバイスの三次元図であり、図11は、図10に示す炭化ケイ素MOSFETデバイスにおけるスペーサウェル領域、トレンチ、ドーピング領域及び接続領域の上面図であり、この態様では、前記第2層ウェル領域142は、前記トレンチ20の両側にそれぞれ位置する第1部分の第2層ウェル領域142a及び第2部分の第2層ウェル領域142bを含み、前記第1部分の第2層ウェル領域142a及び前記第2部分の第2層ウェル領域142bは、それぞれ、第1方向Xに順に配置された複数のサブ領域33を含み、前記第1方向Xにおいて、隣接する2つの前記サブ領域33の間には、前記サブ領域33とは逆のドーピングタイプを有する電流拡大領域34がある。前記部分エピタキシャル層100は前記電流拡大領域34を含む。 10 and 11, FIG. 10 is a three-dimensional view of another silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application, and FIG. 11 is a top view of the spacer well region, trench, doping region, and connection region in the silicon carbide MOSFET device shown in FIG. 10. In this embodiment, the second layer well region 142 includes a first portion second layer well region 142a and a second portion second layer well region 142b located on both sides of the trench 20, respectively, and the first portion second layer well region 142a and the second portion second layer well region 142b each include a plurality of sub-regions 33 arranged in sequence in the first direction X, and between two adjacent sub-regions 33 in the first direction X, there is a current spreading region 34 having an opposite doping type to the sub-regions 33. The partial epitaxial layer 100 includes the current spreading region 34.

第1層ウェル領域141をP型の例とし、第1層ウェル領域141の逆型がNチャネルである場合、電流は第2層ウェル領域142の境界に広がり、第2層ウェル領域142の隣接する2つのサブ領域33の間の電流拡大領域34は電流を拡大でき、さらに抵抗を低減し、損失を低減することができる。 Taking the first-layer well region 141 as an example of P-type, if the inverse type of the first-layer well region 141 is N-channel, the current will spread to the boundary of the second-layer well region 142, and the current spreading region 34 between two adjacent sub-regions 33 of the second-layer well region 142 can spread the current, further reducing the resistance and reducing the loss.

上記実施形態では、同一の前記接続領域32について、前記接続領域32は前記トレンチ20の底部から少なくとも前記第1層ウェル領域141内まで延在している。このとき、基板10に垂直な方向において、トレンチ20は接続領域32を完全に遮断する。 In the above embodiment, for the same connection region 32, the connection region 32 extends from the bottom of the trench 20 at least into the first-layer well region 141. At this time, the trench 20 completely blocks the connection region 32 in the direction perpendicular to the substrate 10.

図12に示すように、図12は、本願の実施形態によって提供されるさらに別の炭化ケイ素MOSFETデバイスの構造概略図であり、上記実施形態に基づいて、図12に示す態様では、前記接続領域32の一部は前記トレンチ20の底部から少なくとも前記第1層ウェル領域141内まで延在し、他の部分は前記エピタキシャル層の表面から前記トレンチ20の側壁に沿って少なくとも前記第1層ウェル領域141内まで延在している。このとき、トレンチ20は接続領域32を部分的に遮断する。この態様は、マスキング層31がソース領域15により良く接続し、接続インピーダンスを低減することができる。 As shown in FIG. 12, FIG. 12 is a structural schematic diagram of yet another silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application, and based on the above embodiment, in the aspect shown in FIG. 12, a part of the connection region 32 extends from the bottom of the trench 20 to at least the first-layer well region 141, and another part extends from the surface of the epitaxial layer along the sidewall of the trench 20 to at least the first-layer well region 141. At this time, the trench 20 partially blocks the connection region 32. This aspect allows the masking layer 31 to better connect to the source region 15 and reduce the connection impedance.

本願の実施形態では、前記トレンチ20に基づいて、イオン注入により前記接続領域32を形成し、イオン注入領域が前記トレンチ20内に位置し、前記トレンチ20の側壁と重ならないように設定すると、前記接続領域32は完全に前記トレンチ20の下に位置することになり、イオン注入領域がトレンチ20の一側に近く、この側の側壁に対して所定の入射角を有する場合、図12に示すような構造を形成することができる。 In the embodiment of the present application, the connection region 32 is formed by ion implantation based on the trench 20. If the ion implantation region is located within the trench 20 and does not overlap with the sidewall of the trench 20, the connection region 32 will be located completely under the trench 20. If the ion implantation region is close to one side of the trench 20 and has a predetermined angle of incidence with respect to the sidewall of this side, a structure as shown in FIG. 12 can be formed.

本願の実施形態では、接続領域32の下端は、少なくとも第1層ウェル領域141内まで延在しているが、第1層ウェル領域141を下に貫通していてもよい。 In the present embodiment, the lower end of the connection region 32 extends at least into the first-layer well region 141, but may also penetrate downward through the first-layer well region 141.

なお、本願の実施形態の図面には、MOSFETデバイスの1つのセル構造のみを示している。実際の製品では、前記MOSFETデバイスは複数のセル構造を有することができる。必要に応じてセルの数及びレイアウト方法を設定することができ、本願の実施形態において特に限定されない。 Note that the drawings of the embodiments of this application show only one cell structure of a MOSFET device. In an actual product, the MOSFET device may have multiple cell structures. The number of cells and the layout method may be set as needed, and are not particularly limited in the embodiments of this application.

前記炭化ケイ素MOSFETデバイスでは、前記第3のエピタキシャル層13の厚さは1μmを超えないため、第2層ウェル領域142及び第3層ウェル領域143のイオン注入深さは1μmを超えず、炭化ケイ素材料の第3のエピタキシャル層13内に、格子損傷を引き起こすことなく、イオン注入により第2層ウェル領域142及び第3層ウェル領域143を形成することができる。 In the silicon carbide MOSFET device, the thickness of the third epitaxial layer 13 does not exceed 1 μm, so that the ion implantation depth of the second-layer well region 142 and the third-layer well region 143 does not exceed 1 μm, and the second-layer well region 142 and the third-layer well region 143 can be formed by ion implantation without causing lattice damage in the third epitaxial layer 13 of silicon carbide material.

本願の実施形態では、前記トレンチ20の底部と前記第1のエピタキシャル層11との距離は1μm未満であることにより、トレンチに基づくイオン注入を行ってドーピング領域17を形成する際に、ドーピング領域17のイオン注入深さが1μm未満となり、炭化ケイ素材料の第2のエピタキシャル層12内に、格子損傷を引き起こすことなく、イオン注入によりドーピング領域17を形成することができる。ドーピング領域17とトレンチ底部の間隔はゼロではない。 In the present embodiment, the distance between the bottom of the trench 20 and the first epitaxial layer 11 is less than 1 μm, so that when trench-based ion implantation is performed to form the doped region 17, the ion implantation depth of the doped region 17 is less than 1 μm, and the doped region 17 can be formed by ion implantation in the second epitaxial layer 12 of silicon carbide material without causing lattice damage. The distance between the doped region 17 and the trench bottom is not zero.

上記実施形態の図面では、前記トレンチ20の底部が開口部に向かう方向において、前記トレンチ20の幅は均一条件を満たす、即ち、前記トレンチの幅はこの方向において同じ又はほぼ同じであり、つまり、前記トレンチ20は長方形のトレンチである。一般的な第2のエピタキシャル層12は、厚さが均一なエピタキシャル層であり、前記トレンチの幅が均一条件を満たすように設定し、前記方向に均一な幅のドーピング領域17を形成しやすくなる。 In the drawings of the above embodiment, the width of the trench 20 satisfies the uniformity condition in the direction from the bottom of the trench 20 toward the opening, i.e., the width of the trench is the same or approximately the same in this direction, i.e., the trench 20 is a rectangular trench. A typical second epitaxial layer 12 is an epitaxial layer with a uniform thickness, and the width of the trench is set to satisfy the uniformity condition, making it easier to form a doping region 17 with a uniform width in the direction.

他の態様では、前記トレンチの底部が開口部に向かう方向において、前記トレンチ20の幅が徐々に大きくなる、即ち、前記トレンチはV字型トレンチ又は逆台形トレンチであるように設定することもできる。V字型トレンチの場合、ドーピング領域17はV字型構造であり、逆台形トレンチの場合、イオン注入窓がトレンチ底部よりも大きい場合、ドーピング領域は図11に示すように逆台形構造になり、イオン注入窓がトレンチ底部よりも大きくない場合、ドーピング領域は長方形構造になる。 In another embodiment, the width of the trench 20 gradually increases in the direction from the bottom of the trench toward the opening, i.e., the trench can be set to be a V-shaped trench or an inverted trapezoidal trench. In the case of a V-shaped trench, the doping region 17 has a V-shaped structure, and in the case of an inverted trapezoidal trench, if the ion implantation window is larger than the trench bottom, the doping region has an inverted trapezoidal structure as shown in FIG. 11, and if the ion implantation window is not larger than the trench bottom, the doping region has a rectangular structure.

本願の実施形態では、前記ドーピング領域17の幅は、イオン注入の深さを低減するために、前記トレンチに基づくイオン注入を行って前記ドーピング領域17を形成できるように、前記トレンチの幅よりも大きくない。 In the present embodiment, the width of the doping region 17 is not greater than the width of the trench so that the trench-based ion implantation can be performed to form the doping region 17 in order to reduce the depth of ion implantation.

前記ドーピング領域17のドーピング濃度は、前記第1のエピタキシャル層11及び前記第3のエピタキシャル層13のドーピング濃度よりも高い。例えば、前記ドーピング領域17はn+ドーピングであり、前記第1のエピタキシャル層11及び前記第3のエピタキシャル層13はn-ドーピングである。 The doping concentration of the doping region 17 is higher than the doping concentrations of the first epitaxial layer 11 and the third epitaxial layer 13. For example, the doping region 17 is n+ doped, and the first epitaxial layer 11 and the third epitaxial layer 13 are n- doped.

前記基板10はn+型基板であり、前記第2のエピタキシャル層12はp-型ドーピングであり、前記ドーピング領域17はn型ドーピングである。本願の実施形態では、ドーピング濃度の関係はn+>n>n-、p+>p>p-である。n-、n及びn+は同型ドーピングであり、すべて第1タイプのドーピングである。p-、p及びp+は同型ドーピングであり、すべて第2タイプのドーピングである。第1タイプのドーピングと第2タイプドーピングとは、逆型ドーピングである。 The substrate 10 is an n+ type substrate, the second epitaxial layer 12 is p- type doped, and the doped region 17 is n- type doped. In the present embodiment, the relationship of the doping concentrations is n+>n>n-, p+>p>p-. n-, n, and n+ are homogeneous dopings, and are all first type dopings. p-, p, and p+ are homogeneous dopings, and are all second type dopings. The first type doping and the second type doping are opposite type dopings.

前記炭化ケイ素MOSFETデバイスはNMOS又はPMOにすることができ、NMOS又はPMOSを形成するために、必要に応じて各領域のドーピングタイプを設定することができる。 The silicon carbide MOSFET devices can be NMOS or PMOS, and the doping type of each region can be set as required to form NMOS or PMOS.

上記の実施形態に基づいて、本出願の別の実施形態はまた、上記の実施形態に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイスを作製するための製造方法を提供し、図13~図19に示すように、図13~図19は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスの製造方法のプロセスフロー図であり、前記製造方法は以下のステップを含む。 Based on the above embodiment, another embodiment of the present application also provides a manufacturing method for fabricating a silicon carbide MOSFET device described in the above embodiment, as shown in Figures 13 to 19, which are process flow diagrams of a manufacturing method for a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application, and the manufacturing method includes the following steps:

ステップS11:図13に示すように、半導体基板10、及び前記基板の表面に設けられたエピタキシャル層を含むエピタキシャルウェーハを提供する。 Step S11: As shown in FIG. 13, an epitaxial wafer is provided that includes a semiconductor substrate 10 and an epitaxial layer provided on the surface of the substrate.

ここで、前記エピタキシャルウェーハは炭化ケイ素エピタキシャルウェーハであり、前記基板10及びその表面の各エピタキシャル層は炭化ケイ素材料である。 Here, the epitaxial wafer is a silicon carbide epitaxial wafer, and the substrate 10 and each epitaxial layer on its surface are made of silicon carbide material.

ステップS12:図5~図12のいずれかに示すように、前記エピタキシャル層内にウェル領域、ソース領域15及びトレンチゲートを形成する。 Step S12: As shown in any one of Figures 5 to 12, a well region, a source region 15, and a trench gate are formed in the epitaxial layer.

ここで、前記トレンチゲートは、前記エピタキシャル層の前記基板10とは反対側の表面内に位置するトレンチ20、及び前記トレンチ20内に位置するゲートを含み、前記ゲートと前記トレンチ20との間にゲート誘導体層181があり、
前記ソース領域15は前記トレンチ20を取り囲み、前記トレンチ20の側壁に接しており、
前記ウェル領域は、前記基板10の前記ソース領域15に向かう方向に順に設けられた第1層ウェル領域141、第2層ウェル領域142及び第3層ウェル領域143を含み、前記トレンチ20の底部は前記第1層ウェル領域141と前記第3層ウェル領域143との間に位置し、前記第3層ウェル領域143は前記トレンチ20を取り囲み、前記トレンチ20の側壁に接し、前記トレンチ20の下のエピタキシャル層内にドーピング領域17があり、前記第1層ウェル領域141は前記ドーピング領域17を取り囲み、前記ドーピング領域17に接し、前記第1層ウェル領域141と前記第3層ウェル領域143との間に部分エピタキシャル層100があり、前記第2層ウェル領域142は前記部分エピタキシャル層100の両側に位置し、前記部分エピタキシャル層100内に前記トレンチゲート底部を保護するためのマスキング層31があり、前記マスキング層31は前記トレンチ20の下に位置し、各層のウェル領域と同じドーピングタイプを有する。
wherein the trench gate includes a trench 20 located in a surface of the epitaxial layer opposite the substrate 10, and a gate located in the trench 20, with a gate dielectric layer 181 between the gate and the trench 20;
The source region 15 surrounds the trench 20 and contacts the sidewall of the trench 20,
The well region includes a first layer well region 141, a second layer well region 142, and a third layer well region 143, which are sequentially provided in a direction toward the source region 15 of the substrate 10. The bottom of the trench 20 is located between the first layer well region 141 and the third layer well region 143. The third layer well region 143 surrounds the trench 20 and contacts a sidewall of the trench 20. A doping region 17 is present in the epitaxial layer below the trench 20. The first layer well region 141 surrounds and contacts the doping region 17, a partial epitaxial layer 100 is located between the first layer well region 141 and the third layer well region 143, the second layer well region 142 is located on both sides of the partial epitaxial layer 100, and a masking layer 31 is located within the partial epitaxial layer 100 to protect the bottom of the trench gate, the masking layer 31 is located under the trench 20 and has the same doping type as the well region of each layer.

図13に示すように、前記エピタキシャル層は、前記基底10の表面に設けられた第1のエピタキシャル層11、前記第1のエピタキシャル層11の前記基板10とは反対側の表面に設けられた第2のエピタキシャル層12、及び前記第2のエピタキシャル層12の前記第1のエピタキシャル層11とは反対側の表面に設けられた第3のエピタキシャル層13を含み、前記第2のエピタキシャル層12は、注入すべき領域140、及び前記注入すべき領域140を取り囲む第1層ウェル領域141を含む。 As shown in FIG. 13, the epitaxial layer includes a first epitaxial layer 11 provided on the surface of the base 10, a second epitaxial layer 12 provided on the surface of the first epitaxial layer 11 opposite the substrate 10, and a third epitaxial layer 13 provided on the surface of the second epitaxial layer 12 opposite the first epitaxial layer 11, and the second epitaxial layer 12 includes a region 140 to be implanted and a first-layer well region 141 surrounding the region 140 to be implanted.

前記MOSFETデバイスにおいて、ウェル領域構造は、第1層ウェル領域141、第2層ウェル領域142及び第3層ウェル領域143を含む。前記第2のエピタキシャル層12は、注入すべき領域、及び前記注入すべき領域を取り囲む第1層ウェル領域141を含み、前記注入すべき領域140は、前記ドーピング領域17を形成するために使用される。 In the MOSFET device, the well region structure includes a first-layer well region 141, a second-layer well region 142, and a third-layer well region 143. The second epitaxial layer 12 includes a region to be implanted and a first-layer well region 141 surrounding the region to be implanted, and the region to be implanted 140 is used to form the doping region 17.

本願の実施形態に記載の製造方法において、前記エピタキシャルウェーハの製造方法は、前記基板10の表面に前記第1のエピタキシャル層11、前記第2のエピタキシャル層12及び前記第3のエピタキシャル層13を順にエピタキシャルして形成することを含み、ここで、前記第1のエピタキシャル層11は、前記第3のエピタキシャル層13と同じドーピングタイプであり、前記第2のエピタキシャル層12とは逆型ドーピングである。 In the manufacturing method described in the embodiment of the present application, the manufacturing method of the epitaxial wafer includes epitaxially forming the first epitaxial layer 11, the second epitaxial layer 12, and the third epitaxial layer 13 in sequence on the surface of the substrate 10, where the first epitaxial layer 11 has the same doping type as the third epitaxial layer 13 and is opposite doped to the second epitaxial layer 12.

前記基板10はn+型ドーピングの炭化ケイ素基板であり、前記第1のエピタキシャル層11及び前記第3のエピタキシャル層13はn-型ドーピングの炭化ケイ素エピタキシャル層であり、前記第2のエピタキシャル層12はp型ドーピングの炭化ケイ素エピタキシャル層であるように設定することができる。このようにして、p型ドーピングの第2のエピタキシャル層12は埋め込み層であり、この埋め込み層を有するエピタキシャルウェーハを巧みに採用し、ゲート18に必要なトレンチ20を利用し、イオン注入を行い、ドーピング領域17を形成することにより、トレンチゲート構造のシールド及び炭化ケイ素材料の注入プロセスの難しさを解決する。また、前記ドーピング領域17は、デバイス電流経路で変調可能なJFET構造を形成でき、デバイス抵抗と自己ロッキング保護効果を自動的に調整すると同時に、デバイスセルサイズを小さくすることもできる。 The substrate 10 can be set to be a silicon carbide substrate with n+ type doping, the first epitaxial layer 11 and the third epitaxial layer 13 can be set to be silicon carbide epitaxial layers with n- type doping, and the second epitaxial layer 12 can be set to be a silicon carbide epitaxial layer with p-type doping. In this way, the second epitaxial layer 12 with p-type doping is a buried layer, and by skillfully adopting an epitaxial wafer having this buried layer, the trench 20 required for the gate 18 is utilized, ion implantation is performed, and a doping region 17 is formed, thereby solving the difficulty of the shield of the trench gate structure and the implantation process of the silicon carbide material. In addition, the doping region 17 can form a JFET structure that can be modulated in the device current path, and can automatically adjust the device resistance and the self-locking protection effect, while at the same time reducing the device cell size.

上記ステップS12では、前記エピタキシャル層内にウェル領域、ソース領域15及びトレンチゲートを形成し、以下のステップを含む。 In step S12, a well region, a source region 15, and a trench gate are formed in the epitaxial layer, and includes the following steps:

ステップS121:図14~図16に示すように、前記第3のエピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に前記ソース領域、前記第2層ウェル領域及び前記第3層ウェル領域を形成する。 Step S121: As shown in Figures 14 to 16, the source region, the second-layer well region, and the third-layer well region are formed in the surface of the third epitaxial layer opposite the substrate.

このステップでは、イオン注入により、前記第3のエピタキシャル層13内に第2層ウェル領域142、第3層ウェル領域143及びソース領域15を順に形成し、前記第2層ウェル領域142は前記第1層ウェル領域141と前記第3層ウェル領域143との間に位置し、前記ソース領域15は前記第3層ウェル領域143の前記第2層ウェル領域142とは反対側に位置する。 In this step, a second-layer well region 142, a third-layer well region 143, and a source region 15 are formed in the third epitaxial layer 13 by ion implantation, the second-layer well region 142 being located between the first-layer well region 141 and the third-layer well region 143, and the source region 15 being located on the opposite side of the third-layer well region 143 to the second-layer well region 142.

具体的には、図14に示すように、マスク層01に基づいてイオン注入を行い、第3のエピタキシャル層13内に第2層ウェル領域142を形成し、第2層ウェル領域142は上記部分エピタキシャル層100を含む非注入領域を取り込む。パターン化された前記マスク層01に基づいて必要な非注入領域を形成する。トレンチ20及びドーピング領域17の垂直投影はこの非注入領域内にあり、前記エピタキシャルウェーハと平行な方向(即ち図14の水平方向)においてこの非注入領域と間隔を有する。さらに、図15に示すように、再びイオン注入により、第2層ウェル領域142上に第3層ウェル領域143を形成し、第3層ウェル領域143は第2層ウェル領域142及びそれが取り囲む非注入領域を覆う。さらに、図16に示すように、再びイオン注入により、第3層ウェル領域143上にソース領域15を形成する。 Specifically, as shown in FIG. 14, ion implantation is performed based on the mask layer 01 to form a second-layer well region 142 in the third epitaxial layer 13, and the second-layer well region 142 incorporates the non-implanted region including the partial epitaxial layer 100. A necessary non-implanted region is formed based on the patterned mask layer 01. The vertical projection of the trench 20 and the doping region 17 is within this non-implanted region, and is spaced from this non-implanted region in a direction parallel to the epitaxial wafer (i.e., the horizontal direction in FIG. 14). Furthermore, as shown in FIG. 15, a third-layer well region 143 is formed on the second-layer well region 142 by ion implantation again, and the third-layer well region 143 covers the second-layer well region 142 and the non-implanted region it surrounds. Furthermore, as shown in FIG. 16, a source region 15 is formed on the third-layer well region 143 by ion implantation again.

ステップS122:図17に示すように、前記第3のエピタキシャル層13の前記基板10とは反対側の表面内に前記トレンチ20を形成し、前記トレンチ20の底部は前記第2のエピタキシャル層12と前記第3層ウェル領域143との間に位置する。 Step S122: As shown in FIG. 17, the trench 20 is formed in the surface of the third epitaxial layer 13 opposite the substrate 10, and the bottom of the trench 20 is located between the second epitaxial layer 12 and the third layer well region 143.

ここで、前記ソース領域15及び前記第3層ウェル領域143は、前記トレンチ20の側壁に接しており、イオン注入によりソース領域15を形成する場合、イオン注入領域はトレンチ20を形成するための領域を覆うので、その後トレンチを形成した後、除去されていないソース領域15をトレンチ20の側壁に直接接触させることができる。同様に、イオン注入により第3層ウェル領域143を形成する場合、イオン注入領域はトレンチ20を形成するための領域を覆うので、その後トレンチを形成した後、除去されていない第3層ウェル領域143をトレンチ20の側壁に直接接触させることができる。 Here, the source region 15 and the third-layer well region 143 are in contact with the sidewall of the trench 20, and when the source region 15 is formed by ion implantation, the ion implantation region covers the region for forming the trench 20, so that after the trench is subsequently formed, the unremoved source region 15 can be directly in contact with the sidewall of the trench 20. Similarly, when the third-layer well region 143 is formed by ion implantation, the ion implantation region covers the region for forming the trench 20, so that after the trench is subsequently formed, the unremoved third-layer well region 143 can be directly in contact with the sidewall of the trench 20.

前記第2層ウェル領域142は、前記トレンチ20の側壁から間隔を有する。前記第2層ウェル領域142が取り囲む非注入領域のサイズは前記トレンチ20のサイズよりも大きく、前記トレンチ20の垂直投影は前記非注入領域内に位置して前記非注入領域から間隔を有するように設定すると、前記第2層ウェル領域142が前記トレンチ20の側壁に接しないようにして、両者の間に間隔を持たせることができる。 The second-layer well region 142 is spaced from the sidewall of the trench 20. The size of the non-implanted region surrounded by the second-layer well region 142 is larger than the size of the trench 20, and the vertical projection of the trench 20 is set to be located within the non-implanted region and spaced from the non-implanted region, so that the second-layer well region 142 does not contact the sidewall of the trench 20 and a space is provided between the two.

ステップS123:図18に示すように、前記トレンチに基づいて前記マスキング層31及び前記ドーピング領域17を形成する。 Step S123: As shown in FIG. 18, the masking layer 31 and the doping region 17 are formed based on the trench.

前記ドーピング領域17、前記第1のエピタキシャル層11は、前記第3のエピタキシャル層13と同じドーピングタイプを有する。 The doping region 17 and the first epitaxial layer 11 have the same doping type as the third epitaxial layer 13.

前記トレンチ20に基づいて、イオン注入により前記マスキング層31及び前記ドーピング領域17を形成することで、エピタキシャル層の大きな深さ内に品質要件を満たす前記マスキング層31及び前記ドーピング領域17を形成することができる。第1層ウェル領域141はエピタキシャル層であり、イオン注入なしでエピタキシャル層の大きな深さ内に必要な第1層ウェル領域141を形成することができる。前記ドーピング領域17は、前記第2のエピタキシャル層12を貫通する。 Based on the trench 20, the masking layer 31 and the doping region 17 can be formed by ion implantation, so that the masking layer 31 and the doping region 17 can be formed within a large depth of the epitaxial layer, meeting quality requirements. The first-layer well region 141 is an epitaxial layer, and the required first-layer well region 141 can be formed within a large depth of the epitaxial layer without ion implantation. The doping region 17 penetrates the second epitaxial layer 12.

ステップS124:図19に示すように、前記トレンチ20に基づいて、前記マスキング層31と前記第1層ウェル領域141とを接続する接続領域32を形成する。 Step S124: As shown in FIG. 19, a connection region 32 is formed based on the trench 20 to connect the masking layer 31 and the first-layer well region 141.

イオン注入により接続領域32を形成することができる。前記トレンチに基づいて、イオン注入により前記接続領域32を形成することで、エピタキシャル層の大きな深さ内に品質要件を満たす接続領域32を形成する。 The connection region 32 can be formed by ion implantation. By forming the connection region 32 by ion implantation based on the trench, a connection region 32 that meets quality requirements is formed within a large depth of the epitaxial layer.

ステップS125:上記の実施形態に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイスを形成するために、前記トレンチ20内にゲート誘導体層181及びゲート18を形成する。 Step S125: Form a gate dielectric layer 181 and a gate 18 in the trench 20 to form a silicon carbide MOSFET device as described in the above embodiment.

ゲート18は、トレンチ20を充填する充填誘導体、及び充填誘導体の表面に位置する金属ゲートを含む。前記トレンチ20の表面にゲート誘導体層181があり、ゲート誘導体層181を形成した後、前記トレンチ20内にゲート18を形成する。充填誘導体181は、多結晶シリコンなどであってもよい。前記トレンチ20内にゲート誘導体層181の形成前に、ドーピング領域17を形成する。 The gate 18 includes a fill dielectric that fills the trench 20 and a metal gate located on the surface of the fill dielectric. A gate dielectric layer 181 is present on the surface of the trench 20, and after forming the gate dielectric layer 181, the gate 18 is formed in the trench 20. The fill dielectric 181 may be polycrystalline silicon, etc. A doping region 17 is formed before forming the gate dielectric layer 181 in the trench 20.

本願の実施形態において、前記製造方法はさらに、前記ソース領域15に接続する金属ソース21を形成することと、前記基板10の前記第1のエピタキシャル層11とは反対側の表面に金属ドレイン19を形成することと、を含む。前記ソース領域15はドーピングタイプが逆の第1の領域151及び第2の領域152を含み、前記金属ソース21は第1の領域151及び第2の領域152の両方に接している。第1の領域151はn+ドーピング、第2の領域152はp+ドーピングであるように設定することができる。 In an embodiment of the present application, the manufacturing method further includes forming a metal source 21 connected to the source region 15 and forming a metal drain 19 on the surface of the substrate 10 opposite the first epitaxial layer 11. The source region 15 includes a first region 151 and a second region 152 of opposite doping type, and the metal source 21 contacts both the first region 151 and the second region 152. The first region 151 can be set to be n+ doped and the second region 152 can be set to be p+ doped.

図20に示すように、図20は、本願の実施形態によって提供される炭化ケイ素MOSFETデバイスのトレンチ設計とドーピング領域のイオン注入面積のレイアウトであり、ドーピング領域17の注入窓はトレンチ20内に位置し、JFET構造のチャネル特性は、ドーピング領域17のパターン設計、イオン注入濃度及びパターン輪郭設計によって調整することができる。ドーピング領域17の注入窓面積は、トレンチ20の面積以下であってもよい。 As shown in FIG. 20, FIG. 20 is a layout of the trench design and ion implantation area of the doped region of a silicon carbide MOSFET device provided by an embodiment of the present application, where the implantation window of the doped region 17 is located in the trench 20, and the channel characteristics of the JFET structure can be adjusted by the pattern design, ion implantation concentration and pattern contour design of the doped region 17. The implantation window area of the doped region 17 may be equal to or smaller than the area of the trench 20.

本願の実施形態では、炭化ケイ素MOSFETデバイスを単一のセル構造で説明しただけである。明らかに、前記MOSFETデバイスを作製する際に、ウェハレベルのプロセスに基づいて同時に複数のセル構造を作製し、その後ウェハを分割して前記炭化ケイ素MOSFETデバイスを形成することができ、前記炭化ケイ素MOSFETデバイスは複数のセル構造を有する。 In the embodiments of the present application, the silicon carbide MOSFET device has only been described with a single cell structure. Obviously, when fabricating the MOSFET device, multiple cell structures can be fabricated simultaneously based on a wafer-level process, and then the wafer can be divided to form the silicon carbide MOSFET device, and the silicon carbide MOSFET device has multiple cell structures.

本明細書における各実施形態は、進行性、又は並列、又は進行性と並列の組み合わせによって説明されるが、各実施形態例は、他の実施形態の違いに焦点を当てており、各実施形態の同じ類似部分は互いに参照すればよい。 Although each embodiment in this specification is described in a progressive or parallel or combination of progressive and parallel manner, each example embodiment focuses on the differences between the other embodiments, and the same similar parts of each embodiment may be referenced from one another.

なお、本願の説明において、「上」、「下」、「頂」、「底」、「内」、「外」などの用語で示される向きや位置関係は、図面に示す向きや位置関係に基づくものであり、単に本願の説明及び説明の簡略化のためのものであり、言及される装置又は要素が特定の向きを持ち、特定の向きで構築及び動作する必要があることを示したり暗示したりするのではないため、本願に対する制限として解釈できないことを理解されたい。1つのコンポーネントが別のコンポーネントに「接続」されていると考えられる場合、別のコンポーネントに直接接続するか、又は中央に設定されているコンポーネントが同時に存在する可能性がある。 It should be understood that in the description of this application, the orientations and positions indicated by terms such as "upper", "lower", "top", "bottom", "inner", "outer", etc., are based on the orientations and positions shown in the drawings, are merely for the purpose of simplifying the description and illustration of this application, and do not indicate or imply that the devices or elements referred to have a particular orientation or are constructed and operated in a particular orientation, and therefore cannot be construed as limitations on this application. When one component is considered to be "connected" to another component, there may be a component that is directly connected to or centrally located in the other component at the same time.

また、なお、本明細書では、第1や第2などの関係用語は、あるエンティティ又は操作を別のエンティティ又は操作から区別するために使用されており、必ずしもこれらのエンティティ又は操作間にそのような実際の関係又は順序が存在することを要求又は暗示するものではない。さらに、用語「包括」、「包含」又はその他の任意の変形は、非排他的な包含をカバーすることを意図しており、従って一連の要素を含む物品又は機器は、それらの要素だけでなく、明示的に列挙されていない他の要素も含むか、又はこのような物品又は機器に固有の要素も含む。さらなる制限なしに、「……を含む」という記述によって定義される要素は、上記要素を含む物品又は機器における他の同一の要素の存在を排除するものではない。開示された実施形態の上記の説明により、当業者は本発明を実現又は使用することができる。これらの実施形態に対する様々な修正は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される一般原理は、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく他の実施形態で実現することができる。従って、本発明は、本明細書に示されるこれらの実施形態に限定されるものではなく、本明細書に開示される原理及び新規な特徴と一致する最も広い範囲に適合するものである。 It should also be noted that in this specification, relational terms such as first and second are used to distinguish one entity or operation from another entity or operation, and do not necessarily require or imply that such an actual relationship or sequence exists between these entities or operations. Furthermore, the terms "comprise", "comprise", or any other variation thereof are intended to cover a non-exclusive inclusion, such that an article or device that includes a set of elements includes not only those elements, but also other elements not expressly listed or elements inherent in such article or device. Without further limitation, an element defined by a statement "comprises ..." does not exclude the presence of other identical elements in the article or device that includes the above element. The above description of the disclosed embodiments enables one skilled in the art to realize or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the general principles defined herein can be realized in other embodiments without departing from the spirit or scope of the present invention. Thus, the present invention is not limited to these embodiments shown herein, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.

Claims (13)

半導体基板、及び前記基板の表面に設けられたエピタキシャル層を含むエピタキシャルウェーハと、
前記エピタキシャル層内に設けられたウェル領域、ソース領域及びトレンチゲートと、を含むことを特徴とする、炭化ケイ素MOSFETデバイスにおいて、
前記トレンチゲートは、前記エピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に位置するトレンチ、及び前記トレンチ内に位置するゲートを含み、前記ゲートと前記トレンチとの間にゲート誘導体層があり、
前記ソース領域は前記トレンチを取り囲み、前記トレンチの側壁に接しており、
前記ウェル領域は、前記基板の前記ソース領域に向かう方向に順に設けられた第1層ウェル領域、第2層ウェル領域及び第3層ウェル領域を含み、前記トレンチの底部は前記第1層ウェル領域と前記第3層ウェル領域との間に位置し、前記第3層ウェル領域は前記トレンチを取り囲み、前記トレンチの側壁に接し、前記トレンチの下のエピタキシャル層内にドーピング領域があり、前記第1層ウェル領域は前記ドーピング領域を取り囲み、前記ドーピング領域に接し、前記第1層ウェル領域と前記第3層ウェル領域との間に部分エピタキシャル層があり、前記第2層ウェル領域は前記部分エピタキシャル層の両側に位置し、前記部分エピタキシャル層内に前記トレンチゲート底部を保護するためのマスキング層があり、前記マスキング層は前記トレンチの下に位置し、各層のウェル領域と同じドーピングタイプを有し、
前記ドーピング領域のドーパントは、第1層ウェル領域のドーパントと同じ極性を有し、且つ前記第1層ウェル領域のドーパントよりも高い濃度を有する炭化ケイ素MOSFETデバイス。
An epitaxial wafer including a semiconductor substrate and an epitaxial layer provided on a surface of the substrate;
a well region, a source region, and a trench gate disposed within the epitaxial layer,
the trench gate includes a trench located in a surface of the epitaxial layer opposite the substrate, and a gate located in the trench, with a gate dielectric layer between the gate and the trench;
the source region surrounds the trench and contacts a sidewall of the trench;
the well region includes a first layer well region, a second layer well region, and a third layer well region provided in order in a direction toward the source region of the substrate, a bottom of the trench is located between the first layer well region and the third layer well region, the third layer well region surrounds the trench and contacts a sidewall of the trench, a doping region is located in an epitaxial layer below the trench, the first layer well region surrounds the doping region and contacts the doping region, a partial epitaxial layer is located between the first layer well region and the third layer well region, the second layer well region is located on both sides of the partial epitaxial layer, a masking layer is located in the partial epitaxial layer to protect a bottom of the trench gate, the masking layer is located under the trench and has the same doping type as the well region of each layer,
A silicon carbide MOSFET device , wherein the dopant in the doped region has the same polarity as the dopant in the first level well region and has a higher concentration than the dopant in the first level well region .
前記基板上の前記ドーピング領域の垂直投影が、前記基板上の前記トレンチの垂直投影内に位置し、
前記基板上の前記トレンチの垂直投影が、前記基板上の前記部分エピタキシャル層の垂直投影内に位置し、2つの前記垂直投影がゼロでない間隔を有することを特徴とする、請求項1に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイス。
a vertical projection of the doped region on the substrate lies within a vertical projection of the trench on the substrate;
2. The silicon carbide MOSFET device of claim 1, wherein a vertical projection of said trench on said substrate lies within a vertical projection of said partial epitaxial layer on said substrate, and wherein two of said vertical projections have a non-zero spacing.
前記部分エピタキシャル層内にさらに前記マスキング層と前記第1層ウェル領域とを接続する接続領域があり、前記接続領域が各層のウェル領域と同じドーピングタイプを有することを特徴とする、請求項1に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイス。 The silicon carbide MOSFET device of claim 1, further comprising a connection region in the partial epitaxial layer connecting the masking layer and the first layer well region, the connection region having the same doping type as the well region of each layer. 前記第1層ウェル領域が、前記トレンチの両側にそれぞれ位置する第1部分の第1層ウェル領域及び第2部分の第1層ウェル領域を含み、
前記第1部分の第1層ウェル領域が、第1方向に順に配置された複数の前記接続領域を介して前記マスキング層に接続され、且つ/又は、前記第2部分の第1層ウェル領域が、第1方向に順に配置された複数の前記接続領域を介して前記マスキング層に接続され、
ここで、前記第1方向が前記基板に平行であり、前記トレンチの延在方向に平行であることを特徴とする、請求項3に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイス。
the first-layer well region includes a first portion of a first-layer well region and a second portion of a first-layer well region located on both sides of the trench,
a first-layer well region of the first portion is connected to the masking layer via a plurality of the connection regions arranged in sequence in a first direction, and/or a first-layer well region of the second portion is connected to the masking layer via a plurality of the connection regions arranged in sequence in a first direction;
4. The silicon carbide MOSFET device of claim 3, wherein said first direction is parallel to said substrate and parallel to an extension direction of said trenches.
前記トレンチの下に少なくとも1つの前記ドーピング領域があり、
複数の前記ドーピング領域がある場合、複数の前記ドーピング領域が第1方向に順に配置され、ここで、前記第1方向が前記基板に平行であり、前記トレンチの延在方向に平行であることを特徴とする、請求項1に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイス。
at least one of the doped regions beneath the trench;
2. The silicon carbide MOSFET device of claim 1 , wherein when there are multiple doped regions, the multiple doped regions are arranged sequentially in a first direction, wherein the first direction is parallel to the substrate and parallel to an extension direction of the trench.
前記基板に垂直な方向において、前記マスキング層から前記トレンチの底部までの距離が、前記第1層ウェル領域までの距離よりも小さいことを特徴とする、請求項1に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイス。 The silicon carbide MOSFET device of claim 1, characterized in that the distance from the masking layer to the bottom of the trench in a direction perpendicular to the substrate is less than the distance to the first layer well region. 前記マスキング層が前記トレンチの底部に接していることを特徴とする、請求項6に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイス。 The silicon carbide MOSFET device of claim 6, wherein the masking layer contacts the bottom of the trench. 前記第2層ウェル領域が、前記トレンチの両側にそれぞれ位置する第1部分の第2層ウェル領域及び第2部分の第2層ウェル領域を含み、
前記第1部分の第2層ウェル領域及び前記第2部分の第2層ウェル領域が、それぞれ一体化された構造であることを特徴とする、請求項1に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイス。
the second-level well region includes a first portion of the second-level well region and a second portion of the second-level well region located on both sides of the trench,
2. The silicon carbide MOSFET device of claim 1, wherein the first portion second level well region and the second portion second level well region are each an integral structure.
前記第2層ウェル領域が、前記トレンチの両側に位置する第1部分の第2層ウェル領域及び第2部分の第2層ウェル領域を含み、
前記第1部分の第2層ウェル領域及び前記第2部分の第2層ウェル領域が、いずれも第1方向に順に配置された複数のサブ領域を含み、前記第1方向において、隣接する2つの前記サブ領域の間には、前記サブ領域とは逆のドーピングタイプを有する電流拡大領域があり、ここで、前記第1方向が前記基板に平行であり、前記トレンチの延在方向に平行であることを特徴とする、請求項1に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイス。
the second-level well region includes a first portion of the second-level well region and a second portion of the second-level well region located on both sides of the trench;
2. The silicon carbide MOSFET device of claim 1, wherein the second-level well region of the first portion and the second-level well region of the second portion both include a plurality of sub-regions arranged in sequence in a first direction, and between two adjacent sub-regions in the first direction there is a current spreading region having an opposite doping type to that of the sub-regions, and the first direction is parallel to the substrate and parallel to an extension direction of the trench.
各層のウェル領域、前記マスキング層及び前記接続領域のドーピングタイプが同じであり、前記接続領域のドーピング濃度が各層のウェル領域のドーピング濃度よりも高いことを特徴とする、請求項3に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイス。 The silicon carbide MOSFET device of claim 3, characterized in that the doping type of the well regions of each layer, the masking layer and the connection regions is the same, and the doping concentration of the connection regions is higher than the doping concentration of the well regions of each layer. 同一の前記接続領域は、前記接続領域が前記トレンチの底部から少なくとも前記第1層ウェル領域内まで延在しているか、又は、前記接続領域の一部が前記トレンチの底部から少なくとも前記第1層ウェル領域内まで延在し、他の部分が前記エピタキシャル層の表面から前記トレンチの側壁に沿って少なくとも前記第1層ウェル領域内まで延在していることを特徴とする、請求項3に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイス。 The silicon carbide MOSFET device of claim 3, characterized in that the same connection region extends from the bottom of the trench at least into the first-layer well region, or a portion of the connection region extends from the bottom of the trench at least into the first-layer well region and another portion extends from the surface of the epitaxial layer along the sidewall of the trench at least into the first-layer well region. 半導体基板、及び前記基板の表面に設けられたエピタキシャル層を含むエピタキシャルウェーハを提供することと、
前記エピタキシャル層内にウェル領域、ソース領域及びトレンチゲートを形成することと、を含むことを特徴とする、請求項1~11のいずれか一項に記載の炭化ケイ素MOSFETデバイスの製造方法において、
前記トレンチゲートは、前記エピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に位置するトレンチ、及び前記トレンチ内に位置するゲートを含み、前記ゲートと前記トレンチとの間にゲート誘導体層があり、
前記ソース領域は前記トレンチを取り囲み、前記トレンチの側壁に接しており、
前記ウェル領域は、前記基板の前記ソース領域に向かう方向に順に設けられた第1層ウェル領域、第2層ウェル領域及び第3層ウェル領域を含み、前記トレンチの底部は前記第1層ウェル領域と前記第3層ウェル領域との間に位置し、前記第3層ウェル領域は前記トレンチを取り囲み、前記トレンチの側壁に接し、前記トレンチの下のエピタキシャル層内にドーピング領域があり、前記第1層ウェル領域は前記ドーピング領域を取り囲み、前記ドーピング領域に接し、前記第1層ウェル領域と前記第3層ウェル領域との間に部分エピタキシャル層があり、前記第2層ウェル領域は前記部分エピタキシャル層の両側に位置し、前記部分エピタキシャル層内に前記トレンチゲート底部を保護するためのマスキング層があり、前記マスキング層は前記トレンチの下に位置し、各層のウェル領域と同じドーピングタイプを有し、
前記ドーピング領域のドーパントは、第1層ウェル領域のドーパントと同じ極性を有し、且つ前記第1層ウェル領域のドーパントよりも高い濃度を有する製造方法。
Providing an epitaxial wafer including a semiconductor substrate and an epitaxial layer provided on a surface of the substrate;
forming well regions, source regions and trench gates in the epitaxial layer,
the trench gate includes a trench located in a surface of the epitaxial layer opposite the substrate, and a gate located in the trench, with a gate dielectric layer between the gate and the trench;
the source region surrounds the trench and contacts a sidewall of the trench;
the well region includes a first layer well region, a second layer well region, and a third layer well region provided in order in a direction toward the source region of the substrate, a bottom of the trench is located between the first layer well region and the third layer well region, the third layer well region surrounds the trench and contacts a sidewall of the trench, a doping region is located in an epitaxial layer below the trench, the first layer well region surrounds the doping region and contacts the doping region, a partial epitaxial layer is located between the first layer well region and the third layer well region, the second layer well region is located on both sides of the partial epitaxial layer, a masking layer is located in the partial epitaxial layer to protect a bottom of the trench gate, the masking layer is located under the trench and has the same doping type as the well region of each layer,
The method of manufacturing , wherein the dopant in the doped region has the same polarity as the dopant in the first-level well region and has a higher concentration than the dopant in the first-level well region .
前記エピタキシャル層が、前記基板の表面に設けられた第1のエピタキシャル層、前記第1のエピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面に設けられた第2のエピタキシャル層、及び前記第2のエピタキシャル層の前記第1のエピタキシャル層とは反対側の表面に設けられた第3のエピタキシャル層を含み、前記第2のエピタキシャル層が、注入すべき領域、及び前記注入すべき領域を取り囲む第1層ウェル領域を有し、
前記エピタキシャル層内にウェル領域、ソース領域及びトレンチゲートを形成するのは、
前記第3のエピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に前記ソース領域、前記第2層ウェル領域及び前記第3層ウェル領域を形成することと、
前記第3のエピタキシャル層の前記基板とは反対側の表面内に前記トレンチを形成することと、
前記トレンチに基づいて前記マスキング層及び前記ドーピング領域を形成することと、
前記トレンチに基づいて、前記マスキング層と前記第1層ウェル領域とを接続する接続領域を形成することと、
前記トレンチ内にゲート誘導体層及びゲートを形成することと、を含むことを特徴とする、請求項12に記載の製造方法。
the epitaxial layer includes a first epitaxial layer provided on a surface of the substrate, a second epitaxial layer provided on a surface of the first epitaxial layer opposite to the substrate, and a third epitaxial layer provided on a surface of the second epitaxial layer opposite to the first epitaxial layer, the second epitaxial layer having a region to be implanted and a first-layer well region surrounding the region to be implanted;
Forming a well region, a source region, and a trench gate in the epitaxial layer includes:
forming the source region, the second-level well region, and the third-level well region in a surface of the third epitaxial layer opposite the substrate;
forming the trench in a surface of the third epitaxial layer opposite the substrate;
forming the masking layer and the doping region based on the trench;
forming a connection region connecting the masking layer and the first-level well region based on the trench;
and forming a gate dielectric layer and a gate in the trench.
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